كتب – باسل يوسف:
الماء مادة فريدة حقًا. فهو من المواد القليلة التي يمكن أن توجد بشكل طبيعي في 3 أشكال: صلب وسائل وغاز في نفس الوقت في الظروف العادية – على سبيل المثال، تخيّل الجليد يطفو على بركة، والماء السائل تحتها، وبخار الماء يُشكّل غيومًا فوقها. كما أنه غير عادي لأن شكله الصلب، الجليد، أقل كثافة من شكله السائل، ولهذا السبب يطفو.
والآن، اكتشف باحثون في جامعة كاليفورنيا في سان دييجو خاصية أخرى رائعة للماء. تحت ضغط شديد ودرجات حرارة منخفضة، يمكن أن ينفصل الماء السائل إلى طورين سائلين متميزين – أحدهما أكثر كثافة من الآخر. يقدم هذا الاكتشاف، المنشور في مجلة Nature Physics، رؤى جديدة حول سلوك الماء المعقد.
يقود فرانشيسكو بايساني، أستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية في جامعة كاليفورنيا في سان دييجو، فريقًا يجمع بين الكيمياء والفيزياء وعلوم الحاسوب لتطوير نماذج متقدمة للسلوك الجزيئي. باستخدام التعلم الآلي والخوارزميات الحسابية، تُنشئ مجموعته عمليات محاكاة واقعية للغاية تتطابق بشكل وثيق مع الملاحظات التجريبية.
قال بايساني: “نموذج الماء الذي طورناه واقعي لدرجة أنه يكاد يكون من المستحيل شربه”.
الكشف عن النقطة الحرجة للماء
معظم السوائل متجانسة – تتدفق جميعها معًا ولا يمكن التمييز بين جزيء سائل وآخر. في الواقع، ينطبق هذا غالبًا على الماء. ومع ذلك، في عام ١٩٩٢، افترض الباحثون أنه عند درجة حرارة وضغط معينين، يصل الماء السائل إلى نقطة حرجة يفقد عندها تجانسه.
أجرى فريق بايساني عمليات محاكاة كشفت عن النقطة الحرجة التي تكون عندها درجة الحرارة منخفضة بما يكفي (١٩٨ كلفن أو – 39.444 درجة مئوية) والضغط مرتفعًا بما يكفي (١٢٥٠ ضغطًا جويًا) ليفصل الماء تلقائيًا إلى سوائل عالية الكثافة ومنخفضة الكثافة.
عند هذه النقطة الحرجة، يُظهر الماء تذبذبات حادة بين طوري الكثافة العالية والمنخفضة. تحت هذا الضغط، يعود الماء إلى طور الكثافة المنخفضة؛ وفوقه، ينتقل كليًا إلى طور الكثافة العالية. هذه ظاهرة غير متوقعة تتكشف على المستوى الجزيئي.
كانت محاكاة عام ١٩٩٢ بدائية. ومنذ ذلك الحين، حاول الباحثون إنشاء هذا الفصل التلقائي تجريبيًا، ولكن دون جدوى. على مدى العقود الثلاثة الماضية، أتاحت التطورات في النمذجة الحاسوبية إمكانية إجراء محاكاة أكثر تفصيلاً ودقة، خاصة مع ظهور إمكانات الأجسام المتعددة القائمة على البيانات، والتي تتخصص فيها مجموعة بايساني.
يشرح بايساني نموذج الأجسام المتعددة القائم على البيانات على النحو التالي: يتصرف شخص وحيد في غرفة بطريقة معينة. إذا دخل شخص آخر الغرفة، يتغير سلوك الشخص الأول ليتناسب مع الشخص الثاني. إذا دخل شخص ثالث، تتغير ديناميكية الشخصين الأولين. يستمر هذا الوضع حتى يزدحم المكان بالأشخاص لدرجة أن إضافة شخص واحد لا تؤثر بشكل كبير على سلوك أي شخص.
هكذا تعمل تقنية MB-pol. على المدى القصير، توجد تأثيرات ميكانيكية كمومية تُعدّل سلوك جزيئات الماء بشكل مباشر، تمامًا كما يؤثر شخص واحد على سلوك شخص آخر. ومع ذلك، عند نقطة معينة، تُحسب هذه التأثيرات على النظام بأكمله، تمامًا كما لا تؤثر إضافة شخص واحد إلى غرفة مزدحمة أصلًا على سلوك شخص آخر.
استغرق إجراء عمليات المحاكاة لهذا البحث ما يقرب من عامين من الحسابات المتواصلة باستخدام بعض أقوى الحواسيب العملاقة في العالم، بما في ذلك جهاز Expanse في مركز سان دييجو للحواسيب العملاقة، وهو ركيزة أساسية لكلية الحوسبة والمعلومات وعلوم البيانات الجديدة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو.
في المستقبل، ومع تطور التكنولوجيا، يأمل بايساني أن يُستخدم هذا البحث لابتكار سوائل اصطناعية تخضع لعملية انتقال من سائل إلى سائل مشابهة للماء، ولكنها قادرة على ذلك في الظروف اليومية. ستتصرف السوائل المسامية القادرة على الانتقال من كثافة منخفضة إلى كثافة عالية بشكل مشابه للإسفنج، ويمكن استخدامها لالتقاط الملوثات أو المساعدة في تحلية المياه.
المصدر: Nature Physics
اقرأ أيضا:
