لغز السلوك الجليدي للأرض يحير العلماء

كتبت : حبيبة جمال

دراسات عديدة عن الكتل الجليدية على الأرض وكيف تتحرك وتتفاعل، وقام مجموعة من العلماء بإجراء يحث تم فيه استبدال  ذرات الهيدروجين القوية في الجليد بمتغير أثقل، وحدث شيء غريب، حيث ازداد الحجم الذي تشغله الجزيئات بنسبة 0.1 %.

البحث فكرة  الكيميائي ليدن يورج ماير  وزملاؤه، حيث قدموا نموذجًا نظريًا يصف هذا السلوك، ظهر بحثهم على غلاف مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية.

تأثير حجم النظائر

يتغير الحجم الذي يشغله نوع معين من الجزيء عندما تستبدل الذرات الموجودة بصيغة أثقل. يسمى هذا التأثير تأثير نظائر الحجم ، ويختصر VIE، المتغيرات من عنصر كيميائي بأوزان مختلفة تسمى النظائر. على سبيل المثال ، لديك هيدروجين “عادي” و “ديوتيريوم”، وهو ذرة هيدروجين أثقل بسبب إضافة نيوترون في نواتها.

للجليد تأثير نظيري شاذ في الحجم

تحتوي معظم المواد على VIE عادي ، حيث يتناقص حجم كمية معينة من الجزيئات عندما تستبدل نظائر الضوء بنظائر أثقل. يقول ماير: “في الشكل الأكثر شيوعًا للجليد على الأرض (انظر الإطار) ، يزداد الحجم فعليًا”. “هذا مخالف للبديهة. ببساطة ، تعمل النظائر الثقيلة على تقييد اهتزازات الجزيئات في المادة. نتيجة لذلك ، تحتاج الجزيئات إلى مساحة أقل للتنقل ويقل الحجم. ولكن من الغريب أن الحجم في الجليد يزداد إذا استبدلت الهيدروجين بالديوتيريوم: النظير الأثقل.

بلورات ثلجية سداسية

ركز الباحثون على الجليد Ih: الشكل الأكثر شيوعًا للمياه المجمدة على الأرض. يشير h إلى التركيب البلوري، وهو سداسي.

الجليد ليس هو المادة الوحيدة التي تحتوي على شذوذ VIE، يمكنك رؤيته أيضًا في أشباه الموصلات، على سبيل المثال. من خلال إيجاد وصف نظري لهذا السلوك غير المنطقي، يأمل الباحثون في معرفة المزيد عن خصائص هذه المواد والروابط الكيميائية التي تجمعهم معًا.

صيغة خاصة لوصف تأثير الحجم

لوصف تأثير الحجم نظريًا، يستخدم الباحثون ما يسمى بالصيغة المحتملة للتفاعل، تقارب الصيغة ما يحدث على مستوى الجزئ، حيث من المستحيل وصف جميع التفاعلات الميكانيكية الكمومية التي تحدث بدقة.

يقول ماير: “توقعت جميع إمكانات التفاعل تقريبًا أن حجم الجليد يقل عندما تستبدل ذرات الهيدروجين بذرات الديوتيريوم”، “فقط المجموعة البحثية الأمريكية أعطت حجمًا أكبر، كما نرى في الواقع”.

تؤثر طريقة الاهتزاز على الحجم

قام الباحثون بتحليل إمكانية التفاعل الأمريكي بالتفصيل. أظهر التحليل أن التأثير النظيري للحجم الشاذ للجليد له علاقة بالطرق المختلفة التي يمكن أن تهتز بها الجزيئات في بنية بلورية.

في جزيء الماء، على سبيل المثال، يمكن لذرات الهيدروجين أن تنطلق ذهابًا وإيابًا في اتجاه ذرة الأكسجين أو ينحني الجزيء بأكمله ذهابًا وإيابًا.

في الجليد، ينتج عن ذلك وضعان للاهتزاز: في الجليد ، هناك احتمالان: في ما يسمى بوضع الاهتزاز الممتد، تُظهر جزيئات الماء نوعًا من الاهتزاز الداخلي، لهذا، لا يحتاجون إلى مساحة كبيرة ويمكن أن يكونوا قريبين من بعضهم البعض. في الحالة الأخرى ، ما يسمى بالنمط الاهتزازي، تتطلب الجزيئات مساحة أكبر، ماير: “هذا مشابه لشخص يجبر المارة على إفساح المجال من خلال التلويح بمرفقيهم.”

تعني النظائر الأثقل اهتزازًا أكبر ومساحة أكبر

إذا استبدلت ذرات الهيدروجين في الجليد بذرات الديوتيريوم، فقد اتضح أن تأثير الوضع الاهتزازي يزداد على حساب تأثير وضع التمدد.

يؤدي هذا إلى ابتعاد الجزيئات عن بعضها أكثر، مما يؤدي إلى احتلال مساحة أكبر وزيادة الحجم، ماير: “هذا تشبيه بسيط للتأثير الميكانيكي الكمومي المعقد الذي يحدث في الواقع.”

أحد الأشياء الهامة حول إمكانات التفاعل هو أن التفاعلات ثلاثية الأجسام، التي تتضمن أكثر من جزيئين، تلعب دورًا مهمًا في تأثير الحجم ، بينما في حالة الترابط بين الجزيئات، فإنها بالكاد تلعب دورًا في الجميع،لا يزال الجليد يذهلنا.