ماء صلب شبيه بالمادة الصلبة عند الظروف العادية

ماء يتصرف مثل مادة صلبة

عادةً نفكر بالماء على أنه شيء يتدفّق ويتناثر ويتبخر، ما لم يكن مجمَّداً إلى جليد. تكشف هذه الدراسة عن سلوك جديد مفاجئ: تحت نوع محدد من الحبس، يمكن للماء السائل العادي أن يتصرف كمادة صلبة بينما يظل عند درجات حرارة وضغط اعتياديين. فهم هذه الحالة غير الاعتيادية قد يغيّر نظرتنا إلى الماء في المسامات الدقيقة داخل الصخور، في الآلات الدقيقة وحتى في الأنظمة البيولوجية.

حبس الماء داخل أنابيب زجاجية صغيرة

عمل الباحثون مع أنابيب رفيعة كخيوط مصنوعة من السليكا، مادة شبيهة بالزجاج تشبه الكوارتز. هذه الأنابيب مجوفة، لذا يمكن ملؤها بالماء، وتتراوح أقطارها الداخلية من أجزاء من ميكرومتر إلى عدة ميكرومترات (الميكرومتر يساوي ألف جزء من المليمتر). عندما أُحكم إغلاق الماء داخل أنابيب بحجم دون الميكرون وحتى بضعة ميكرومترات، لم يعد يتصرف كسائل عادي. باستخدام أشعة أيونية مركزة، تمكن الفريق من شطر الماء داخل الأنابيب، ونحت مقاطع حادة الحافة وحتى تشويهها تحت الضغط دون أن تتدفّق بعيدًا—سلوك نربطه عادة بالمواد اللينة الصلبة وليس بالسوائل. بقيت هذه «سدادات» الماء الشبيهة بالصلب متماسكة من −20 إلى 90 درجة مئوية ومن فراغ عالي إلى ضغط الهواء العادي، وظلت مستقرة لما لا يقل عن 54 يومًا.

استكشاف البنية الداخلية الخفية

لاكتشاف سبب اختلاف هذا الماء المحبوس، لجأ الفريق إلى عدة أنواع من «أجهزة الاستماع» للجزيئات: مطيافية رمان وطرية تحت الحمراء، ورنين مغناطيسي نووي للبروتونات (¹H NMR). تقيس هذه الأدوات كيف تهتز جزيئات الماء وتتحرك. في أصغر الأنابيب، تحوّلت بصمات الطيف واتسعت مقارنةً بالماء السائل العادي، مما يشير إلى حركة أبطأ وإعادة تنظيم شبكة الروابط بين جزيئات الماء. أظهر حيود الإلكترونات—وهو طريقة لرؤية أنماط البلورة—عدم وجود بقع حادة أو حلقات كما في الجليد، بل هالة مبعثرة. هذا يعني أن هذا الماء الشبيه بالصلب ليس متجمِّدًا في شبكة بلورية منتظمة، بل هو حالة عديمة الشكل شبيهة بالزجاج: صلبة في السلوك، لكنها تفتقر إلى الترتيب بعيد المدى كما في رقاقات الثلج أو مكعبات الجليد.

استبعاد التلوث وإيجاد السبب الحقيقي

أحد الأسئلة الواضحة هو ما إذا كان هذا المادّة الشبيهة بالصلب قد تكون في الواقع ملوِّثًا أو بقايا. لمعالجة ذلك، حلّل الباحثون المادة المٌستخرجة باستخدام تقنيات تكشف العناصر الحاضرة وشظايا الأيونات. وجدوا في الغالب الهيدروجين والأكسجين فقط، بما يتوافق مع الماء والسليكا المحيطة، ولم تظهر إشارات واضحة لعناصر غريبة. دعمت هذه النتيجة الاستنتاج القائل بأن الطور الجديد هو بالفعل شكل من أشكال الماء المحبوس، وليس ملوثًا. ثم توجّه الاهتمام إلى السطح الداخلي للأنابيب. أظهرت قياسات مفصّلة أنه مع تقلص قطر الأنبوب إلى أقل من نحو 2–5 ميكرومترات، ترتفع بكثافة مجموعات السيلانول—مواقع تحمل الهيدروجين على سطح السليكا—بشكل كبير، خصوصًا ضمن بضعة نانومترات من الجدار الداخلي. عندما أزال الفريق بعض هذه المجموعات كيميائيًا، عاد الماء الذي كان شبيهًا بالصلب إلى حالة سائلة عادية. وعلى النقيض، عندما زادوا عدد هذه المجموعات على أنابيب أكبر، أصبح الماء المحبوس شبيهًا بالصلب. هذا التحول القابل للعكس أشار بقوة إلى أن كيمياء السطح، وليس فقط الهندسة الضيقة، هي العامل المسيطر.

كيف تجمد كيمياء السطح الحركة دون تكوين جليد

الصورة الناشئة هي أن مجموعات السيلانول المكتظة على الجدران الداخلية تعمل كمرابط قوية لجزيئات الماء القريبة. عبر روابط هيدروجينية قوية، تخفّض هذه المجموعات من اهتزاز ودوران جزيئات الماء، فعليًا بخفض طاقتها الحركية دون تكوين بلورة. مع ازدياد تغطية السطح بهذه المجموعات وضيق الأنبوب، يمتد هذا التأثير إلى مسافات أكبر من الجدار، ويؤدي في النهاية إلى قفل حجم كبير من الماء في حالة منخفضة الحركة وشبيهة بالصلب. أظهر الفريق أن هذه الحالة مفضَّلة في ظروف قريبة من الحيادية إلى قاعدية خفيفة (درجة حموضة معتدلة)، لكنها تنهار تحت ظروف حمضية جدًا، التي تغيّر توازن البروتونات عند السطح وتضعف شبكة الترابط بين الواجهة والجزيئات. ومن المثير أن إضافة الملح حتى تركيزات عالية كان لها تأثير ضئيل، مما يدل على أن التفاعلات قصيرة المدى عند الجدار تطغى على تأثيرات المحلول الكلي.

لماذا يهم هذا الأمر خارج المختبر

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن الماء لا يحتاج لأن يكون متجمِّدًا أو مضغوطًا داخل مسامات نانوية بالغة الصغر حتى يتصرف كمادة صلبة. في هذا العمل، يؤدي الجمع بين هندسة دون ميكرونية وسطح داخلي شديد التفاعل إلى جعل الماء يتبنّى حالة زجاجية مستقرة عند درجة حرارة الغرفة والضغط الاعتيادي. قد يساعد هذا الاكتشاف في تفسير سلوك التدفق المحيِّر في التكوينات الصخرية الضيقة الغنية بالسليكا، حيث قد يتحرك الماء ببطء أكثر مما هو متوقع. كما يقترح طرقًا جديدة لتصميم الأجهزة الميكروفلويدية، والمفاعلات الصغيرة وربما طرق حفظ لا تتطلب تجميدًا تعتمد على تثبيت الماء بدلًا من الجليد. باختصار، من خلال هندسة السطوح بعناية على مقاييس صغيرة، قد نتمكن من ضبط الماء بين سلوك سائل وشبيه بالصلب حسب الطلب.

الاستشهاد: Wei-qing, A., Xiang-an, Y. & Ji-rui, Z. A stable solid-like water at normal condition. Sci Rep 16, 14588 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42682-x

الكلمات المفتاحية: الماء المحبوس, أنابيب ميكروية من السليكا, طور شبيه بالصلب, كيمياء السطوح البينية, روابط الهيدروجين