סוג חדש של קרח

כשלמדנו בבית הספר על מצבי צבירה שמענו על מוצק, נוזל וגז, וגם על האנומליה של המים – בניגוד לרוב החומרים, צפיפות המים קטֵנה כאשר הם מתמצקים: משמע, כאשר מסה מסוימת של מים קופאת והופכת לקרח, נפחה גדל. מה שלא סיפרו לנו הוא שיש עוד כמה מצבי צבירה, כמו פלזמה ונוזל-על, וגם יותר מסוג אחד של קרח. אולם כבר עשרות שנים שהמדע מכיר סוגים שונים של קרח, וליתר דיוק כעשרים סוגי פאזות – מצבי חומר. חקר פאזות הקרח היה נושא פופולרי בשנות החמישים והשישים של המאה הקודמת, ושב לקדמת הבמה של הפיזיקה והכימיה בשנים האחרונות. אפשר לייחס את התחייה הזו להתפתחות הדמיות המחשב, שמאפשרות חיזוי מדויק של קיום הפאזות האלה ותכונותיהן, וגם לבניית מערכי ניסוי מורכבים שבעבר נחשבו בלתי אפשריים.

פאזות הקרח הציתו את דמיונו של הסופר האמריקאי קורט וונגוט (Vonnegut), שב-1963 כתב בספרו “עריסת חתול” על קרח תשע – קרח שמקפיא כל מים שבאים איתו במגע, ויכול כך להפוך אוקיינוסים שלמים לקרח מוצק. חמש שנים לאחר מכן קרח תשע אכן תואר תיאורטית, וכשלושה עשורים לאחר מכן גם נצפה במעבדה, אם כי לא ניחן בתכונה הפלאית (והקטלנית) שייחס לו וונגוט.

עוד אחת מהפאזות הללו היא קרח שבע, שתיאר הפיזיקאי האמריקאי פרסי ברידג’מן (Bridgman), חתן פרס נובל לפיזיקה לשנת 1946, לפני כמעט 90 שנה. בקרח “רגיל”, כמו שיש במקפיא, מולקולות המים קשורות זו לזו במערך משושה שמזכיר כוורת דבורים: לכל מולקולה יש שש מולקולות שכנות. בקרח שבע, לעומת זאת, המולקולות קשורות זו לזו במערך קובייתי, שבו לכל מולקולה שלוש מולקולות שכנות. 

לפני שנים אחדות תואר קרח שבע תיאור תרמודינמי מלא באמצעות סימולציות, ואלה העלו אפשרות מעניינת שעשויה להתרחש בתנאי קיצון: כאשר קרח שבע נתון בטמפרטורה ובלחץ גבוהים במיוחד, הסימולציות חזו שתופיע פאזה פלסטית שלו.

למה הכוונה? בקרח רגיל מולקולות המים קבועות במקומן ובמים נוזליים הן מסתובבות, רוטטות ונעות; לעומת זאת, קרח שבע פלסטי אמור להיות מעין שילוב בין השניים: המולקולות קבועות במקומן, אך גם מסתובבות סביב עצמן. התמהיל הזה יעניק לקרח מעין רכות שאינה אופיינית לקרח רגיל, ואפשרות לעצב אותו כרצוננו – שבשלה זכה לשם התואר “פלסטי”. כעת חושפים חוקרים מאיטליה, צרפת, שווייץ ובריטניה שקרח שבע פלסטי הוא לא רק אפשרות תיאורטית מתוך סימולציה, אלא תופעה שרירה וקיימת שנצפתה לראשונה במעבדה, ותוארה בתחילת השנה בכתב העת Nature.

מחליפים שכנים

תנאי הקיצון המדוברים הם טמפרטורה של בין 177 ל-330 מעלות צלזיוס, ולחץ שנע בין 30 קילו פסקל עד כ-6 ג’יגה פסקל, כלומר פי 30 עד פי 6 מיליון מהלחץ האטמוספרי. קשה להגיע לתנאים כאלה באמצעים רגילים; על מנת לצפות בפאזה הנדירה, השתמשו החוקרים במערך ניסוי חדש שהותקן במכון לאואה-לנז’בן (Laue-Langevin) בגרנובל שבצרפת.

בניסוי המתואר כיוונו אלומת נייטרונים על דגימות מים בטמפרטורה של כ-326 מעלות צלזיוס ובלחץ של כ-60 אלף אטמוספרות. אלומת הנייטרונים התנגשה במולקולות המים. מיד לאחר מכן המולקולות התפזרו, וגלאי מדד את האנרגיה שלהן, מה שאפשר לחוקרים לאמוד את אופיה המולקולרי של הדוגמה. הם גילו שזמן הסיבוב האופייני של המולקולות הוא בסדר גודל של פיקו-שניות, כלומר אלפית מיליארדית השנייה – בדיוק כמו במים נוזליים, למרות שמדובר בקרח.

שיטת המדידה הזו נקראת פיזור נייטרונים קוואזי-אלסטי (בראשי תיבות QENS), והיא אחת משיטות מדידה רבות שבהן אלומות של חלקיקים מתנגשות בחומר על מנת לעורר בו תגובות וכך למדוד באופן עקיף את מערך האנרגיות האופייני לחומר, או תופעות מורכבות יותר.

למרות החיזויים המדויקים בהדמיות שקדמו לניסויים, הניסוי העלה ממצא מפתיע. במולקולות המים, המטען החשמלי מפוזר באופן לא אחיד. במילים אחרות, ישנו מטען חיובי חלקי באזור של אטומי המימן, ומטען שלילי חלקי באזור של אטום החמצן, כך שאטום חמצן ממולקולה מסוימת יכול להיקשר באופן חלש לאטום מימן ממולקולה שכנה. די בקשרים החלשים האלה כדי להחזיק מים, פשוטו כמשמעו: קשרי המימן, כפי שהם נקראים, מחזיקים את מולקולות הקרח הרגיל במקומן. בניסוי התברר שבקרח שבע פלסטי, בעת הסיבוב של מולקולה מסוימת נשבר קשר המימן בינה לבין אחת משלוש שכנותיה, ונוצר קשר חדש עם שכנה אחרת.

מדע בסיסי הוא טוב ויפה, אבל שאלה שיכולה לעלות בשלב זה היא – איפה בכלל נראה קרח שבע פלסטי ביקום שלנו? החוקרים טוענים שקרח שבע פלסטי היה יכול להתקיים בשלבי ההיווצרות המוקדמים של ירחים עשויים קרח, כמו אירופה של צדק או טיטאן של שבתאי. ההבנה של המעבר בין קרח שבע פלסטי לקרח רגיל יכולה לשפוך אור על תהליך ההתפתחות של ירחים כאלה. בנוסף, יתכן שהקרח המשונה הזה קיים בקרקעית האוקיינוסים של כוכבי לכת רחוקים ביותר, שאולי ייתכנו בהם חיים. המבנה הייחודי של קרח שבע פלסטי יכול, פוטנציאלית, לכלוא מלחים – וההבנה של הקשרים בין המלח לבין הקרח תוכל לספר משהו על ריכוזי המלח באוקיינוסים הללו.