اكتشاف جزيء الماء هل يجبر المسئولين عن التعليم إعادة كتابة الكتب المدرسية؟

لسنوات عديدة، اعتقد العلماء أنهم توصلوا إلى فهم جيد لما يحدث عندما يلتقي جزيء من الماء بالهواء، هل تعلمون ما نقرأه في الكتب المدرسية؟ اتضح أننا كنا مخطئين.

اكتشف مجموعة من الباحثين أن الجزيئات على سطح الماء المالح تنظم نفسها بطريقة مختلفة تماما عما كنا نعتقد.

كان الدكتور يائير ليتمان من قسم الكيمياء بجامعة يوسف حميد هو من قاد الفريق، وقد هز هذا الاكتشاف بعض المعتقدات الراسخة في علم المناخ.

قد يبدو الأمر وكأنه مجرد تجربة علمية أخرى، ولكن هذه التجربة لها آثار حقيقية، خاصة عندما يتعلق الأمر بفهم كيفية عمل غلافنا الجوي وكيفية التخفيف من التأثيرات البشرية على الكوكب.

الكيمياء على سطح جزيئات الماء

عندما نفكر في الأماكن التي تحدث فيها التفاعلات الكيميائية المهمة، قد لا نتصور على الفور سطح المحيط أو كوبًا من الماء المالح. ولكن هذا هو المكان الذي تحدث فيه التفاعلات الحاسمة على وجه التحديد، وخاصة عندما يلتقي الماء بالهواء.

فكر في الأمر: إن تبخر مياه المحيطات يؤثر على مناخنا ، ويؤثر على أنماط الطقس، بل ويؤثر حتى على كيمياء الهواء الذي نتنفسه. إنه أمر بالغ الأهمية.

لسنوات عديدة، كان مجتمع العلوم يحاول فهم ما يحدث بالضبط على هذا السطح، وخاصة كيف تتصرف الأيونات – تلك الجزيئات الصغيرة المشحونة في الملح – عندما تتسكع على حافة المياه.

هل تصطف هذه الأيونات بشكل منظم؟ هل تتفاعل بشكل جيد مع جزيئات الماء؟ حتى الآن، كان الأمر كله مجرد تخمينات. لقد كان السلوك الدقيق للأيونات عند الواجهة بين الماء والهواء محل جدال ساخن.

وهنا يأتي دور فريق ليتمان، إلى جانب الدكتور كو يانج تشيانج من معهد ماكس بلانك . وتغير دراستهم، التي نُشرت في مجلة Nature Chemistry ، قواعد اللعبة.

من خلال الجمع بين التكنولوجيا المتطورة والمحاكاة المتقدمة، أثبتوا أن جزيئات الماء على سطح المياه المالحة لا تتصرف بالطريقة التي كنا نعتقدها دائمًا، ونعم، هذا خبر كبير.

النظر إلى سطح جزيئات الماء

كانت النظرة التقليدية، التي نجدها في أغلب الكتب المدرسية، بسيطة: فالأيونات، التي تكون مشحونة إما إيجاباً أو سلباً، تصطف على السطح وتنظم جزيئات الماء في اتجاه واحد. ولكن وفقاً لهذا البحث الجديد، فإن هذه ليست الطريقة التي تسير بها الأمور على الإطلاق.

استخدم الفريق شكلًا أكثر تقدمًا من تقنية تسمى توليد مجموع الترددات الاهتزازية ( VSFG )، في الماضي، سمحت تقنية VSFG للعلماء بالنظر إلى الاهتزازات الجزيئية على سطح الماء.

ولكن كان به عيب – لم يكن قادرًا على تحديد ما إذا كانت هذه الاهتزازات إيجابية أم سلبية، مما جعل من الصعب تفسير ما يحدث بالفعل،. الأمر أشبه بمحاولة فهم محادثة من خلال سماع نصفها فقط.

محاولة تجربة تقنية مختلفة

وهنا يأتي دور تقنية الكشف عن الاهتزازات المتغايرة (HD)-VSFG، وتذهب هذه التقنية إلى أبعد من ذلك، حيث تسمح للفريق ليس فقط بقياس الاهتزازات ولكن أيضًا بتحديد اتجاهها.

النتيجة؟ اكتشفوا أن الأيونات على سطح الماء المالح لا تشكل طبقة واحدة وتنظم جزيئات الماء في اتجاه واحد.

وبدلاً من ذلك، تقوم الأيونات بتنظيم جزيئات الماء صعوداً وهبوطاً، مما يقلب النموذج الموجود في الكتب المدرسية رأساً على عقب.

وأوضح ليتمان قائلاً: “يُظهر عملنا أن سطح محاليل الإلكتروليت البسيطة يتمتع بتوزيع أيوني مختلف عما كان يُعتقد سابقًا”، “في الجزء العلوي، توجد طبقات قليلة من الماء النقي، تليها طبقة غنية بالأيونات، ثم محلول الملح السائب.”

وهذا يعني أنه بدلاً من اصطفاف الأيونات بشكل أنيق وتوجيه جزيئات الماء في اتجاه واحد، فإنها تخلق بيئة أكثر تعقيدًا وديناميكية، مثل اكتشاف أن الحي الهادئ الذي كنت تعيش فيه أصبح في الواقع يعج بالنشاط خلف الأبواب المغلقة.

لماذا هذا مهم؟

إذا كنت تفكر، ولكن لماذا يجب أن أهتم بكيفية تصرف الأيونات على سطح الماء؟ تكمن الإجابة في كيفية تأثير هذا الاكتشاف على علم الغلاف الجوي .

سطح الماء ــ وخاصة مياه المحيطات ــ هو المكان الذي تحدث فيه العديد من التفاعلات المهمة. فالتبخر، وتكوين السحب، وحتى كيفية تحلل الملوثات في الغلاف الجوي، كلها تتوقف على هذه الواجهات بين الماء والهواء .

عندما لا نفهم تمامًا كيف تتصرف الأيونات على سطح الماء، فلن نتمكن من إنشاء نماذج دقيقة لعلم المناخ. وفي عالم حيث يعد فهم المناخ أمرًا بالغ الأهمية، فإن وجود نموذج دقيق هو كل شيء.

ويضيف الدكتور كو يانج تشيانج من معهد ماكس بلانك أن هذا البحث لا يعمق فهمنا للواجهات السائلة فحسب، بل يمكن تطبيقه أيضًا في مجالات أخرى.

“تظهر هذه الورقة أن الجمع بين HD-VSFG عالي المستوى والمحاكاة يعد أداة لا تقدر بثمن من شأنها أن تساهم في فهم الواجهات السائلة على المستوى الجزيئي.”

وبعبارة أخرى، فإن هذا الاكتشاف المهم قد يساعد العلماء على تطوير تقنيات أفضل لأشياء مثل البطاريات وتخزين الطاقة.

ومن يدري، فربما يساعدنا ذلك على فهم أفضل لكيفية إدارة بعض القضايا البيئية التي نواجهها اليوم.

التقنية لها تطبيقات بعيدة المدى

ولا تتوقف تداعيات هذه الدراسة عند علم الغلاف الجوي. إذ يعتقد ميشا بون، رئيس قسم التحليل الطيفي الجزيئي في معهد ماكس بلانك، أن هذا الاكتشاف قد يمهد الطريق لفهم أعمق لواجهات أخرى، مثل تلك الموجودة في البطاريات.

وأوضح بون أن “هذه الأنواع من الواجهات تحدث في كل مكان على الكوكب، وبالتالي فإن دراستها لا تساعدنا فقط في فهمنا الأساسي، بل يمكن أن تؤدي أيضًا إلى تطوير أجهزة وتقنيات أفضل”.

إذا تمكنا من فهم كيفية تصرف الجزيئات على سطح الماء المالح بشكل أفضل، فقد يؤدي ذلك إلى تحسين فهمنا لكيفية تصرفها على سطح المواد الصلبة أيضًا، وهذا أمر مهم للغاية لأي شخص يعمل على تحسين البطاريات أو غيرها من حلول تخزين الطاقة.

وهذا أحد تلك الاكتشافات التي قد لا يكون تأثيرها واضحًا على الفور، ولكن في نهاية المطاف، قد يغير كل شيء – بدءًا من كيفية بناء الأجهزة إلى كيفية تفكيرنا في علم المناخ .

تطبيقات اكتشاف جزيء الماء هذا

باختصار، فإن النتائج التي توصل إليها فريق الدكتور ليتمان ليست سوى البداية، إذ يتحدى اكتشافهم عقودًا من الافتراضات حول الماء والأيونات، ويفتح الباب أمام مجال جديد تمامًا من الأبحاث.

والخطوات التالية هي تطبيق هذه التقنيات على أنظمة أكثر تعقيدًا، مثل التفاعلات بين الماء والمواد الصلبة، والتي يمكن أن تساعدنا في فهم كل شيء بدءًا من التلوث وحتى الطاقة النظيفة.

من النادر أن يغير اكتشاف علمي ما كنا نعتقد أننا نعرفه بالكامل. ولكن عندما يحدث هذا، فإنه يذكرنا بأن العلم يتطور باستمرار.