لقد وجد العلماء في الولايات المتحدة دليلاً على أن سطح الماء السائل، حتى في درجة حرارة الغرفة، له هيكل يشبه الجليد أكثر فأكثر مع اقتراب الواجهة بين الماء والهواء. فيليب جيسلر وناثان أوديندال من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، أداء المحاكاة الحاسوبية من الواجهة غير المستوية بين الهواء والماء والزخارف المنظمة المحددة، والتي يقولون إنها تشترك في قواسم مشتركة كبيرة مع الجليد.
من الغلاف الجوي إلى رئتي الإنسان، تحدث العديد من أهم العمليات على هذا الكوكب على سطح قطرة ماء، مما يعطي هذا البحث آثارًا محتملة في مجالات الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا.
قال جيسلر، الذي استخدم عمليات المحاكاة لدراسة الماء على المستوى الجزيئي الذي لا يمكن الوصول إليه في التجارب: "إن الأشياء التي عملنا عليها عقودًا عديدة لفهمها حول الماء في بيئته السائبة أصبحت خاطئة في الواجهات". أنتجت القياسات الطيفية للواجهة بين الهواء والماء نتائج مذهلة، مما يشير إلى وجود روابط هيدروجينية منظمة على السطح. كان جيسلر وأوديندال مهتمين بعمليات المحاكاة السابقة، التي اقترحت الجليد كنقطة مرجعية لبنية المياه السطحية، لكنهما لم يعتقدا أن هذه النتائج كانت حاسمة. ونتيجة لذلك، ابتكروا طريقة للبحث عن هذه الأنماط بمزيد من التفصيل.
البحث عن البنية في الفوضى
الماء السائل مضطرب، لذلك عرف الباحثون أنه سيكون من الصعب العثور على الهياكل التي كانوا يبحثون عنها، لأنها تمتد على عدد قليل من الجزيئات فقط ومدفونة تحت الضوضاء. كانت لديهم فكرة أن الباحثين السابقين كانوا يفتقدون التفاصيل لأنهم تعاملوا مع الواجهة كمستوى مسطح، في حين أنها في الواقع ناعمة ووعرة. كان العمل على واجهات الهواء والماء الناعمة رائدًا منذ أكثر من 10 سنوات، وكشف عن طبقات موازية للسطح، لكن جيسلر وأوديندال كانا أول من استخدم هذا للبحث عن رابط مع الجليد.
قال جيسلر إنه فوجئ عندما أظهر له أوديندال النتائج الأولى التي تتراكب بين الجليد والماء والهواء. ويجادلون بأنه، مع التفاصيل الإضافية للواجهة اللحظية، يمكن تقسيم الطبقات الموجودة على سطح الماء إلى طبقات فرعية (انظر الشكل أعلاه). الطبقات الفرعية المتوازية هي سمة من سمات الوجه الأساسي للجليد، وهي تقدم ما يعتقد الثنائي أنه تشابه مذهل بين هذه الطبقات في واجهات الجليد والماء والهواء.
باستخدام هذه الطبقات الفرعية كنقطة مرجعية، قارن جيسلر وأوديندال اتجاهات الجزيئات، مع العلم أن هذا محدد جيدًا لجزيئات الماء رباعي السطوح في الجليد. وعندما رسم الباحثون خريطة للاتجاه المفضل لروابط الأكسجين والهيدروجين بالقرب من سطح الماء، لاحظوا أن الترتيب، الذي جادلوا مرة أخرى، يبدو أنه يتوافق مع وجه الجليد. وتحتفظ هذه الأنماط بأقطار جزيئية قليلة، وهي أكبر من الهياكل رباعية السطوح العابرة المتوقعة في المياه السائبة.
التماثل المكسور يجبر الماء على التنظيم
وفي معرض مناقشة استنتاجاتهم، قال Odendahl "إن وجود هذه الواجهة المرنة أعطانا الثقة لنقول، إنها ليست مجرد مقاييس مصادفة. إذا نظرت إلى الكثافة، وإذا نظرت إلى الاتجاه، وإذا نظرت إلى الطبقات المتعددة، فكل شيء نظرنا إليه، يبدو أن هناك تطابقًا.
ثبت أن الماء ميت كهربائيًا عند الواجهات
ومع ذلك، فإن تفسير الأبحاث المتعلقة بالميكانيكا الإحصائية للسوائل أمر مثير للجدل دائمًا. إن الجدل المستمر حول التفاعل بين الماء والهواء سوف يؤدي إلى السؤال الأساسي حول كيفية تعريف الجليد، وما إذا كان يمكن القول بأن البنية التي تمتد على عدد قليل من الجزيئات لها خصائص تشبه البلورات. وفي معرض تعليقه على نتائجهم، قال جيسلر: "لدينا الآن هذه النقطة المرجعية الهيكلية للتفكير في هذه العناصر الهيكلية، وأعتقد أن ذلك سيثبت في النهاية أنه أداة مفاهيمية مفيدة للغاية".
تم وصف البحث في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.
