سيعيد كتابة الكيمياء الأساسية.. اكتشاف شكلين جديدين من المياه المالحة

يمكن أن يساعد شكلان تم اكتشافهما حديثا من المياه المالحة المتجمدة العلماء على حل لغز يتعلق بأقمار النظام الشمسي المغطاة بالجليد.

فعند تعرضها لضغوط أعلى ودرجات حرارة أقل مما يمكن العثور عليه في الطبيعة على الأرض، فإن الذرات الموجودة في كلوريد الصوديوم المائي – المعروف أكثر باسم جليد الماء المالح – رتبت نفسها في هياكل لم يتم تحديدها من قبل وتحتوي على نسبة من جزيئات الماء أعلى بكثير من الملح.

وقد يفسر هذا التوقيع الكيميائي الغريب لمادة على سطح قمر المشتري “أوروبا”، والذي يبدو مائيا أكثر مما يتوقع العلماء.

ويقول عالم الأرض والفضاء بابتيست جورنو من جامعة واشنطن: “من النادر في الوقت الحاضر وجود اكتشافات أساسية في العلوم. الملح والماء معروفان جيدا في ظروف الأرض. ولكن بعد ذلك، نحن في الظلام تماما. والآن لدينا هذه الأجسام الكوكبية التي ربما تحتوي على مركبات مألوفة جدا لنا، ولكن في ظروف غريبة جدا”.

عندما يتحد الملح والماء، – كلوريد الصوديوم وأكسيد الهيدروجين – تذوب جزيئات الملح في جزيئات الماء لتكوين محلول. ويقلل وجود الملح من درجة تجمد المحلول مقارنة بالمياه غير المملحة، ولكن مع استمرار انخفاض درجة الحرارة في ظل الظروف الجوية النموذجية للأرض، ستتجمد في النهاية.

وعندما تفعل ذلك، ترتب الجزيئات نفسها في بنية شبكية صلبة تعرف باسم الهيدرات. على الأرض (خارج المختبر)، يحتوي هذا الهيكل على تكوين واحد فقط: جزيء ملح واحد لكل جزيئين من الماء.

وعلى أقمار مثل “أوروبا” وجانيميد، التي تدور حول كوكب المشتري، وقمر زحل إنسيلادوس، وجد العلماء أيضا دليلا على وجود الملح والماء، لكن الظروف التي تم العثور عليها تختلف إلى حد ما عن تلك الموجودة على الأرض.

وتتعرض أسطح هذه العوالم البعيدة للبرودة الشديدة في الفراغ القريب من الفضاء، بعيدا عن الشمس. فتحت الطبقات الجليدية توجد محيطات يمكن أن تكون في بعض الحالات أكثر سمكا بمئة مرة من أعمق مياه على الأرض، ما يتسبب في ضغوط ودرجات حرارة شديدة جدا.

وشرع الباحثون في التحقيق في تأثير الملح على إنتاج الجليد. فقاموا بضغط كتلة صغيرة من الماء المالح في خلية سندان ماسي في ظروف شديدة البرودة، ما أدى إلى توليد ضغوط تصل إلى 25000 مرة من الضغط الجوي للأرض مع خفض درجات الحرارة إلى -123 درجة مئوية (-190 درجة فهرنهايت).

ويوضح جورنو: “كنا نحاول قياس كيفية تغيير الملح في كمية الثلج التي يمكن أن نحصل عليها، لأن الملح يعمل كمضاد للتجمد. المثير للدهشة، عندما قمنا بالضغط، ما رأيناه هو أن هذه البلورات التي لم نتوقعها بدأت في النمو”.

وفي ظل ظروف تجربتهم، رأى الباحثون ظهور ترتيبين جديدين لجزيء الملح والماء. أظهر أحدهما جزيئين ملح لكل 17 جزيء ماء. والآخر يحتوي على 13 جزيء ماء لجزيء ملح واحد. كلاهما مختلف تماما عن الملح الواحد، وهما ماءان يُرى بشكل طبيعي على الأرض – ويتوافقان مع التوقيعات الكيميائية المائية التي لوحظت على أقمار الجليد.

ويقول الباحثون إن العامل الرئيسي هو الضغط، الذي يسحق الجزيئات معا ويجبرها على إيجاد طرق جديدة للتعايش. ولكن حتى عندما تم تحرير الضغط، ظلت إحدى الهيدرات التي تم تحديدها حديثا – التي تحتوي على 17 جزيء ماء – مستقرة حتى درجات حرارة تصل إلى -50 درجة مئوية. ويشير هذا إلى أنه يمكن العثور عليها هنا على الأرض أيضا، ربما تحت جليد القارة القطبية الجنوبية.

ويجب إجراء بحث مستقبلي لتحديد ما إذا كان هذا الاكتشاف يمكن أن يحل لغز القمر الجليدي.

نُشر البحث في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences.