تويت
بسم الله الرحمن الرحيم
اللهم صل على محمد وآل محمد الطيبين الطاهرين وعجل فرجهم يا كريم
إن صُنع الثلج — في نظر الكثيرين — مسألة بسيطة تتم بوضع وعاء به ماء في الفريزر. لكن الأمر ليس كذلك عند أستاذ الكيمياء يون-مي تشوي وزملائه في جامعة سول الوطنية في كوريا الجنوبية. فدرجات الحرارة دون الصفر والقوالب المبتكرة هي آخر ما يشغل تفكيرهم، بل هم يفضلون صنع الثلج عن طريق تعريض الماء لمجالات كهربية، ويفعلون ذلك في درجة حرارة الغرفة.
ثلج في درجة حرارة الغرفة
تظهر عمليات المحاكاة الحاسوبية أن جزيئات الماء يمكن أن تشكل البنية المنظمة للثلج عندما توضع في مكان ضيق وتُعرَّض لمجال كهربي.
يقول دينيس ويتلي، وهو أستاذ علم أحياء خلوي يدرس آثار المياه على النظم الحية في جامعة أبردين بالمملكة المتحدة:
«الثلج الذي يوجد في درجة حرارة الغرفة — الثلج الساخن — يحير العقل. فلا ينبغي أن يحدث ذلك.»
أنهت تجارب تشوي التي تمت في بداية هذا العام بحثًا عمره عشر سنوات من أجل معرفة ما إذا كان يمكن صنع الثلج الساخن أم لا. لكنها أثارت دون قصد لغطًا آخر؛ فوفقًا لنتائج تشوي، المجال الكهربي اللازم لتحويل الماء الفاتر إلى ثلج مجال ضعيف على نحو مثير للدهشة؛ ضعيف للغاية في الواقع لدرجة أن المجالات ذات الحجم المماثل موجودة في كل أماكن الطبيعة، من الشقوق الموجودة في الصخور وجسيمات الطين إلى فجوات البروتينات في أجسامنا. ويدور البحث الآن حول معرفة ما إذا كان الثلج الساخن موجودًا حقًّا في الطبيعة.
بدأت قصة الثلج في درجة حرارة الغرفة في عام ١٩٩٥ باكتشاف عرضي بواسطة أستاذ المواد جيكوب كلاين في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت بإسرائيل؛ إذ اكتشف أن السوائل العضوية الواقعة بين لوحات الميكا المتباعدة بمسافة بضعة نانومترات فقط يمكن أن تتجمد في درجات حرارة أعلى بكثير من المعتاد.
بعد ذلك سرعان ما واتته فكرة أنه ربما يكون قادرًا على صنع الثلج في درجة حرارة الغرفة من خلال ضغط الماء وتحويله إلى مادة صلبة؛ لذا أمضى السنوات الست التالية في محاولة فعل ذلك مع الماء والسوائل الأخرى. استطاع كلاين صنع مواد صلبة من معظم السوائل، ولكن الماء ليس سائلًا عاديًّا.
ففي حين أن معظم المواد تكون أكثر كثافة في أشكالها الصلبة عن أشكالها السائلة، فإن الثلج مميز.
تطفو الجبال الجليدية ومكعبات الثلج لأنها أقل كثافة من الماء، إذ تشغل مساحة بعد التجمد أكبر منها قبل التجمد. فأدرك في النهاية أنه من خلال تكديس جزيئات الماء في مساحة ضيقة كان يكبح التجمد على نحو فعال؛ لذا ترك الأمر.
أغفل كلاين، على ما يبدو، عنصرًا حاسمًا في صنع الثلج في درجة حرارة الغرفة، وهو المجال الكهربي. ولكن عندما تخلى عن المشروع، تسلم زمام السعي وراء ذلك أستاذَا الفيزياء الحيوية رونين زنكي وآلان مارك، اللذان كانا يعملان حينها في جامعة جرونينجن في هولندا. وفي عام ٢٠٠٣، أقاما عمليات محاكاة حاسوبية لرؤية ماذا سيحدث للماء المحبوس عند تعريضه لمجال كهربي.
بسبب أن ذرتي الهيدروجين في جزيء الماء تحملان شحنة موجبة طفيفة، وتحمل ذرة الأكسجين شحنة سالبة طفيفة، فإن إضافة مجال كهربي يمكن أن تقلب الترتيب العشوائي للجزيئات؛ إذ تجعلها تصطف مثل الجنود. كشفت عمليات محاكاة زنكي ومارك عن أن هذا الاصطفاف يوفر ترتيبًا كافيًا لكي تتصلب المياه، فتتجمد إلى ما يعرف باسم مكعب الثلج القطبي حتى في درجة حرارة الغرفة (انظر الشكل السابق).
يقول مارك: «باستخدام مجال كهربي كبير يمكنك تجميد كوب كامل من الماء.»
ولكن لم يؤكد أحد توقعاتهما — حتى مع كميات صغيرة من الماء — حتى الآن.
وضع تشوي وفريقه طبقة رقيقة من المياه بين لوح معدني وطرف مُستدقٍّ معدني حادٍّ. بعد ذلك مرَّروا مجالًا كهربيًّا ضعيفًا وتعمقوا تدريجيًّا في الماء، محركين ببطء الطرف المستدق لأسفل. عندما كان الطرف على مسافة ٠٫٧ نانومتر من اللوح المعدني، ارتطم بعائق. لقد ارتطم تشوي بالثلج (دورية فيزيكال ريفيو ليترز، المجلد ٩٥، صفحة ٠٨٥٧٠١).
ما فاجأ الباحثين هو أن فريق تشوي صنع ثلجًا باستخدام مجال كهربي يصل إلى ٦١٠ فولتات للمتر الواحد. قد يبدو هذا عاليًا، لكنه منخفض بما فيه الكفاية لكي يتواجد في الطبيعة، ما يكشف عن احتمالية أن الثلج الساخن قد يكون مختبئًا في جميع أنواع الأماكن غير المتوقعة.
فالفجوات بين جسيمات الطين تحتوي على شحنة كافية لإيواء مقدار ضئيل للغاية من الثلج في درجة حرارة الغرفة، وهو التأثير الذي يمكن أن يحل لغز تكوين السحب الذي حير علماء الغلاف الجوي لسنوات (انظر «السحاب لا ينسى أبدًا»).
والمجالات الموجودة بين أغشية الخلايا العصبية وعلى أسطح البروتينات والسكريدات المتعددة يمكن أن تكون عالية بما يكفي لتكوِّن جبالًا جليدية صغيرة داخل الخلايا.
يقول كلاين: «كل خلايانا تقريبًا يمكن أن تمتلك شحنة كبيرة بما يكفي لتجميد المياه.»
يعتقد ويتلي أنه ينبغي أن يبدأ الآن البحث عن المناطق الثلجية في فجوات البروتين. فيشير قائلًا:
«على مسافات صغيرة جدًّا على أسطح البروتينات، يمكن أن تكون الشحنات عملاقة.» ولكن لا يشاطره الجميع هذا الحماس.
فيشير فابيو بروني، وهو أستاذ فيزياء في جامعة روما في إيطاليا يدرس الماء والبروتينات:
«تتواجد هذه المجالات الكهربية يوميًّا في الخلايا، وحتى الآن لم تلاحَظ أبدًا عملية التجمد تلك.»
ويوافق مارك على أن عدم وجود ملاحظة أي ثلج قرب البروتينات أمر محبط.
فيؤكد هو وكلاين على أن ظروف تجربة تشوي كانت خاضعة لضبط شديد وربما لا تكون قابلة للتكرار في الطبيعة.
ويضيف مارك محذرًا: «لا يمكن أن ننجرف في الحماس كثيرًا بعدُ.»
مع ذلك، ربما شوهدت مؤشرات لوجود الثلج الساخن بالفعل دون أن يدرك أي شخص ذلك. فقد لاحظ الكيميائيون الذين يدرسون حركة المياه أن الجزيئات تصبح بطيئة حول بعض الأيونات التي تحمل شحنتين أو ثلاث شحنات موجبة، مثل الكالسيوم والكروم. فيمكن أن يستغرق الأمر ساعة من أجل استبدال جزيئات أخرى بجزيئات الماء الموجودة في الطبقة القريبة من هذه الأيونات.
وفي المقابل، تتحرك جزيئات الماء بسرعة كبيرة حول الأيونات المحتوية لشحنة واحدة، مثل البوتاسيوم والصوديوم. ربما يشير هذا الماء بطيء الحركة إلى أنه يتجمد في مجال كهربي ضعيف.
ويحوم تساؤل حول هذه المسألة، وهو ما إذا كانت مادة تشوي يمكن اعتبارها ثلجًا بأي حال من الأحوال. ليحدث ذلك، يجب أن تكون لها بنية بلورية، وهذا لم يُثبت حتى الآن. قد يكون مجرد سائل لزج جدًّا. ولكن ما إذا كان الثلج الساخن يستحق اسمه من الناحية التقنية أم لا، فلن يسبب أي اختلاف من حيث تأثيره على الخلايا.
يقول كلاين: «إن سلوك المادة الصلبة الحقيقية والسائل اللزج للغاية في الواقع لا يختلفان.»
يعتقد ويتلي أن عواقب ذلك السلوك يمكن أن تكون كبيرة. فيقول:
«الماء بوتقة الحياة؛ فكل شيء آخر يدور في فلكه. فإذا تغيرت تلك البيئة ولو قليلًا، فيمكن أن تغير ١٠٠ شيء مختلف في الخلية. ويبدو أن هذا السائل الأكثر شيوعًا في أجسامنا هو أحد أقل السوائل بالنسبة لفهمنا له. ولا يزال بإمكانه مفاجأتنا.»
اللهم صل على محمد وآل محمد الطيبين الطاهرين وعجل فرجهم يا كريم
إن صُنع الثلج — في نظر الكثيرين — مسألة بسيطة تتم بوضع وعاء به ماء في الفريزر. لكن الأمر ليس كذلك عند أستاذ الكيمياء يون-مي تشوي وزملائه في جامعة سول الوطنية في كوريا الجنوبية. فدرجات الحرارة دون الصفر والقوالب المبتكرة هي آخر ما يشغل تفكيرهم، بل هم يفضلون صنع الثلج عن طريق تعريض الماء لمجالات كهربية، ويفعلون ذلك في درجة حرارة الغرفة.
ثلج في درجة حرارة الغرفة
تظهر عمليات المحاكاة الحاسوبية أن جزيئات الماء يمكن أن تشكل البنية المنظمة للثلج عندما توضع في مكان ضيق وتُعرَّض لمجال كهربي.
يقول دينيس ويتلي، وهو أستاذ علم أحياء خلوي يدرس آثار المياه على النظم الحية في جامعة أبردين بالمملكة المتحدة:
«الثلج الذي يوجد في درجة حرارة الغرفة — الثلج الساخن — يحير العقل. فلا ينبغي أن يحدث ذلك.»
أنهت تجارب تشوي التي تمت في بداية هذا العام بحثًا عمره عشر سنوات من أجل معرفة ما إذا كان يمكن صنع الثلج الساخن أم لا. لكنها أثارت دون قصد لغطًا آخر؛ فوفقًا لنتائج تشوي، المجال الكهربي اللازم لتحويل الماء الفاتر إلى ثلج مجال ضعيف على نحو مثير للدهشة؛ ضعيف للغاية في الواقع لدرجة أن المجالات ذات الحجم المماثل موجودة في كل أماكن الطبيعة، من الشقوق الموجودة في الصخور وجسيمات الطين إلى فجوات البروتينات في أجسامنا. ويدور البحث الآن حول معرفة ما إذا كان الثلج الساخن موجودًا حقًّا في الطبيعة.
بدأت قصة الثلج في درجة حرارة الغرفة في عام ١٩٩٥ باكتشاف عرضي بواسطة أستاذ المواد جيكوب كلاين في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت بإسرائيل؛ إذ اكتشف أن السوائل العضوية الواقعة بين لوحات الميكا المتباعدة بمسافة بضعة نانومترات فقط يمكن أن تتجمد في درجات حرارة أعلى بكثير من المعتاد.
بعد ذلك سرعان ما واتته فكرة أنه ربما يكون قادرًا على صنع الثلج في درجة حرارة الغرفة من خلال ضغط الماء وتحويله إلى مادة صلبة؛ لذا أمضى السنوات الست التالية في محاولة فعل ذلك مع الماء والسوائل الأخرى. استطاع كلاين صنع مواد صلبة من معظم السوائل، ولكن الماء ليس سائلًا عاديًّا.
ففي حين أن معظم المواد تكون أكثر كثافة في أشكالها الصلبة عن أشكالها السائلة، فإن الثلج مميز.
تطفو الجبال الجليدية ومكعبات الثلج لأنها أقل كثافة من الماء، إذ تشغل مساحة بعد التجمد أكبر منها قبل التجمد. فأدرك في النهاية أنه من خلال تكديس جزيئات الماء في مساحة ضيقة كان يكبح التجمد على نحو فعال؛ لذا ترك الأمر.
أغفل كلاين، على ما يبدو، عنصرًا حاسمًا في صنع الثلج في درجة حرارة الغرفة، وهو المجال الكهربي. ولكن عندما تخلى عن المشروع، تسلم زمام السعي وراء ذلك أستاذَا الفيزياء الحيوية رونين زنكي وآلان مارك، اللذان كانا يعملان حينها في جامعة جرونينجن في هولندا. وفي عام ٢٠٠٣، أقاما عمليات محاكاة حاسوبية لرؤية ماذا سيحدث للماء المحبوس عند تعريضه لمجال كهربي.
بسبب أن ذرتي الهيدروجين في جزيء الماء تحملان شحنة موجبة طفيفة، وتحمل ذرة الأكسجين شحنة سالبة طفيفة، فإن إضافة مجال كهربي يمكن أن تقلب الترتيب العشوائي للجزيئات؛ إذ تجعلها تصطف مثل الجنود. كشفت عمليات محاكاة زنكي ومارك عن أن هذا الاصطفاف يوفر ترتيبًا كافيًا لكي تتصلب المياه، فتتجمد إلى ما يعرف باسم مكعب الثلج القطبي حتى في درجة حرارة الغرفة (انظر الشكل السابق).
يقول مارك: «باستخدام مجال كهربي كبير يمكنك تجميد كوب كامل من الماء.»
ولكن لم يؤكد أحد توقعاتهما — حتى مع كميات صغيرة من الماء — حتى الآن.
وضع تشوي وفريقه طبقة رقيقة من المياه بين لوح معدني وطرف مُستدقٍّ معدني حادٍّ. بعد ذلك مرَّروا مجالًا كهربيًّا ضعيفًا وتعمقوا تدريجيًّا في الماء، محركين ببطء الطرف المستدق لأسفل. عندما كان الطرف على مسافة ٠٫٧ نانومتر من اللوح المعدني، ارتطم بعائق. لقد ارتطم تشوي بالثلج (دورية فيزيكال ريفيو ليترز، المجلد ٩٥، صفحة ٠٨٥٧٠١).
ما فاجأ الباحثين هو أن فريق تشوي صنع ثلجًا باستخدام مجال كهربي يصل إلى ٦١٠ فولتات للمتر الواحد. قد يبدو هذا عاليًا، لكنه منخفض بما فيه الكفاية لكي يتواجد في الطبيعة، ما يكشف عن احتمالية أن الثلج الساخن قد يكون مختبئًا في جميع أنواع الأماكن غير المتوقعة.
فالفجوات بين جسيمات الطين تحتوي على شحنة كافية لإيواء مقدار ضئيل للغاية من الثلج في درجة حرارة الغرفة، وهو التأثير الذي يمكن أن يحل لغز تكوين السحب الذي حير علماء الغلاف الجوي لسنوات (انظر «السحاب لا ينسى أبدًا»).
والمجالات الموجودة بين أغشية الخلايا العصبية وعلى أسطح البروتينات والسكريدات المتعددة يمكن أن تكون عالية بما يكفي لتكوِّن جبالًا جليدية صغيرة داخل الخلايا.
يقول كلاين: «كل خلايانا تقريبًا يمكن أن تمتلك شحنة كبيرة بما يكفي لتجميد المياه.»
يعتقد ويتلي أنه ينبغي أن يبدأ الآن البحث عن المناطق الثلجية في فجوات البروتين. فيشير قائلًا:
«على مسافات صغيرة جدًّا على أسطح البروتينات، يمكن أن تكون الشحنات عملاقة.» ولكن لا يشاطره الجميع هذا الحماس.
فيشير فابيو بروني، وهو أستاذ فيزياء في جامعة روما في إيطاليا يدرس الماء والبروتينات:
«تتواجد هذه المجالات الكهربية يوميًّا في الخلايا، وحتى الآن لم تلاحَظ أبدًا عملية التجمد تلك.»
ويوافق مارك على أن عدم وجود ملاحظة أي ثلج قرب البروتينات أمر محبط.
فيؤكد هو وكلاين على أن ظروف تجربة تشوي كانت خاضعة لضبط شديد وربما لا تكون قابلة للتكرار في الطبيعة.
ويضيف مارك محذرًا: «لا يمكن أن ننجرف في الحماس كثيرًا بعدُ.»
مع ذلك، ربما شوهدت مؤشرات لوجود الثلج الساخن بالفعل دون أن يدرك أي شخص ذلك. فقد لاحظ الكيميائيون الذين يدرسون حركة المياه أن الجزيئات تصبح بطيئة حول بعض الأيونات التي تحمل شحنتين أو ثلاث شحنات موجبة، مثل الكالسيوم والكروم. فيمكن أن يستغرق الأمر ساعة من أجل استبدال جزيئات أخرى بجزيئات الماء الموجودة في الطبقة القريبة من هذه الأيونات.
وفي المقابل، تتحرك جزيئات الماء بسرعة كبيرة حول الأيونات المحتوية لشحنة واحدة، مثل البوتاسيوم والصوديوم. ربما يشير هذا الماء بطيء الحركة إلى أنه يتجمد في مجال كهربي ضعيف.
ويحوم تساؤل حول هذه المسألة، وهو ما إذا كانت مادة تشوي يمكن اعتبارها ثلجًا بأي حال من الأحوال. ليحدث ذلك، يجب أن تكون لها بنية بلورية، وهذا لم يُثبت حتى الآن. قد يكون مجرد سائل لزج جدًّا. ولكن ما إذا كان الثلج الساخن يستحق اسمه من الناحية التقنية أم لا، فلن يسبب أي اختلاف من حيث تأثيره على الخلايا.
يقول كلاين: «إن سلوك المادة الصلبة الحقيقية والسائل اللزج للغاية في الواقع لا يختلفان.»
يعتقد ويتلي أن عواقب ذلك السلوك يمكن أن تكون كبيرة. فيقول:
«الماء بوتقة الحياة؛ فكل شيء آخر يدور في فلكه. فإذا تغيرت تلك البيئة ولو قليلًا، فيمكن أن تغير ١٠٠ شيء مختلف في الخلية. ويبدو أن هذا السائل الأكثر شيوعًا في أجسامنا هو أحد أقل السوائل بالنسبة لفهمنا له. ولا يزال بإمكانه مفاجأتنا.»
تعليق