מדענים בארה"ב מצאו ראיות לכך שלפני המים הנוזלים, אפילו בטמפרטורת החדר, יש מבנה שנראה יותר ויותר כמו קרח ככל שמתקרבים לממשק מים-אוויר. פיליפ גייסלר ונתן אודנדל מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, ביצע הדמיות מחשב של הממשק הלא אחיד בין אוויר למים ומוטיבים מסודרים מזוהים, שלטענתם חולקים מאפיינים משותפים משמעותיים עם קרח.
מהאטמוספירה ועד לריאות האדם, רבים מהתהליכים החשובים ביותר על פני כדור הארץ מתרחשים על פני השטח של טיפת מים, מה שנותן למחקר הזה השלכות פוטנציאליות על פני פיזיקה, כימיה וביולוגיה.
"הדברים שעבדנו כל כך הרבה עשורים כדי להבין על מים בסביבת הכמות הגדולה שלהם פשוט הופכים שגויים בממשקים", אמר גייסלר, שהשתמש בסימולציות כדי לחקור מים ברמה מולקולרית שאינה נגישה בניסויים. מדידות ספקטרוסקופיות של ממשק אוויר-מים הניבו תוצאות מפתיעות, המצביעות על קשר מימן מסודר על פני השטח. גייסלר ואודנדל היו סקרנים לגבי סימולציות קודמות, שהציעו קרח כנקודת התייחסות למבנה המים הממשקפיים, אך הם לא חשבו שהתוצאות הללו חותכות. כתוצאה מכך, הם המציאו דרך לחפש דפוסים אלה בפירוט רב יותר.
חיפוש מבנה בהפרעה
מים נוזליים אינם מסודרים, ולכן החוקרים ידעו שקשה למצוא את המבנים שהם חיפשו, המשתרעים על פני מולקולות בודדות בלבד ונקברים תחת רעש. היה להם רעיון שלחוקרים קודמים חסרים פרטים מכיוון שהם התייחסו לממשק כמישור שטוח, כשהוא למעשה רך וגבשושי. העבודה על ממשקי אוויר-מים רכים הייתה חלוצה לפני למעלה מ-10 שנים וחשפה שכבות מקבילות לפני השטח, אבל גייסלר ואודנדל היו הראשונים שהשתמשו בזה כדי לחפש קשר עם קרח.
גייסלר אמר שהוא הופתע כשאודנדל הראה לו את התוצאות הראשונות שהעלו את ממשקי הקרח והמים-אוויר. הם טוענים שעם הפירוט הנוסף של הממשק המיידי, ניתן לפצל את השכבות על פני המים לשכבות משנה (ראה איור לעיל). שכבות משנה מקבילות הן תכונה של הפנים הבסיסיות של הקרח, והן מציגות את מה שהצמד משוכנע שהוא דמיון בולט בין השכבות הללו בממשקי הקרח והמים-אוויר.
תוך שימוש בשכבות המשנה הללו כנקודת ייחוס, גייסלר ואודנדל השוו את כיווני המולקולות, בידיעה שזה מוגדר היטב עבור מולקולות מים טטרהדרליות בקרח. כאשר החוקרים מיפו את הכיוון המועדף של קשרי חמצן-מימן ליד פני המים, הם הבחינו בסדר, שלטענתם שוב, נראה כי הוא תואם לפנים של קרח. דפוסים אלה מחזיקים בקטרים מולקולריים בודדים, שהם גדולים יותר מהמבנים הטטרהדרלים החולפים הצפויים במים בתפזורת.
סימטריה שבורה מאלצת את המים להתארגן
בטענה למסקנותיהם, אמר אודנדל "הממשק הגמיש הזה באמת נתן לנו את הביטחון לומר, זה לא רק כמה מדדי סיכוי. אם אתה מסתכל על הצפיפות, אם אתה מסתכל על הכיוון, אם אתה מסתכל על השכבות המרובות רק כל מה שהסתכלנו עליו, נראה שיש התאמה."
מים מוכיחים שהם מתים חשמלית בממשקים
עם זאת, פרשנות מחקר על המכניקה הסטטיסטית של נוזלים היא תמיד שנויה במחלוקת. הוויכוח המתמשך על ממשק מים-אוויר יסתכם בשאלה הבסיסית כיצד מוגדר קרח, והאם ניתן לומר שמבנה המשתרע על פני מולקולות בודדות יש לו תכונות דמויות גבישים. בהרהורים על התוצאות שלהם, גייסלר אמר "עכשיו יש לנו את נקודת ההתייחסות המבנית הזו לחשיבה על המוטיבים המבניים האלה, ואני חושב שזה בסופו של דבר יתגלה ככלי מושגי מאוד שימושי."
המחקר מתואר ב- כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה.
