شاهد أصغر قطرة ماء تم رؤيتها على الإطلاق وهي تنمو جزيئًا تلو الآخر – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Watch The Smallest Water Droplet Ever Seen Grow, Molecule by Molecule
(بقلم: ميشيل ستار – Michelle Starr)

إننا جميعاً نعرف مكونات الماء. فإذا أخذت ذرتين من الهيدروجين وذرة من الأكسجين، وخلطتهما معاً، فستحصل على جزيء من أهم مركب للحياة على الأرض.

والآن، وللمرة الأولى، لاحظ العلماء هذه العملية عن قرب. ففي الوقت الحقيقي، وعلى المستوى الجزيئي، شاهد عالم المواد البروفيسور فيناياك درافيد من جامعة نورث وسترن وزملاؤه أصغر فقاعة ماء شوهدت على الإطلاق وهي تتفتح من الهواء.

كيف فعلوا ذلك؟

من خلال تسخير القوى الغريبة للبلاديوم، وهو معدن معروف بتحفيز العنصرين لتخليق الماء.

يقول البروفيسور درافيد: “فكر في شخصية الممثل مات ديمون، مارك واتني، في فيلم “المريخي” (The Martian). فقد أحرق وقود الصواريخ لاستخراج الهيدروجين ثم أضاف الأكسجين من المؤكسج (جهاز منتج الأكسجين) الخاص به. وعمليتنا مماثلة، إلا أننا نتجاوز الحاجة إلى النار وغيرها من الظروف القاسية. خلطنا ببساطة البلاديوم والغازات معًا”.

لقد عرفنا عن قدرة البلاديوم الغريبة على تخليق كميات كبيرة من الماء في فترة زمنية قصيرة نسبيًا. ولكن تحديد كيفية حدوث ذلك على وجه التحديد كان أمرًا صعبًا. وذلك لأنه من الصعب ملاحظة العملية على المقاييس التي تحدث بها.

“إنك تحتاج حقًا إلى أن تكون قادرًا على الجمع بين التصور المباشر لتوليد الماء وتحليل البنية على المستوى الذري من أجل معرفة ما يحدث”، كما يوضح عالم المواد البروفيسور يوكون ليو من جامعة نورث وسترن.

وللتغلب على هذه العقبة الكبيرة، طور الفريق غشاءً يحبس الجزيئات داخل خلايا مفاعل نانوية سداسية صغيرة. وهذا يجعل من الأسهل تصوير العمليات الجزيئية باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ^[1]، حتى مقياس النانومتر.

ومع ذلك، لم يكن الباحثون متأكدين من نجاح محاولتهم لمراقبة تفاعل البلاديوم بشكل مباشر. فقد أضافوا ذرات الهيدروجين والأكسجين إلى سطح قطعة من البلاديوم بعرض 20 نانومترًا، واستخدموا غشاءهم لالتقاط التفاعل الناتج.

ويبلغ عرض جزيء الماء الواحد أقل من ثلث نانومتر، في حين أن الذرات التي يتكون منها أصغر بكثير. ولـ “رؤية” ارتباط هذه المركبات الصغيرة، استخدم الباحثون شكلًا من أشكال المجهر الإلكتروني الذي سجل الطاقة المفقودة عن طريق تشتت الإلكترونات.

شاهد فقاعة ماء بحجم النانو تتكون من الهواء الرقيق:

ولدهشتهم، تمكنوا من ملاحظة، في الوقت الحقيقي، ذرات تتحد لتكوين فقاعة صغيرة من الماء على سطح البلاديوم.

ويقول البروفيسور ليو: “نعتقد أنها قد تكون أصغر فقاعة تتشكل على الإطلاق والتي تم مشاهدتها مباشرة. لم يكن هذا ما كنا نتوقعه. لحسن الحظ، كنا نسجلها، لذلك يمكننا أن نثبت للآخرين أننا لسنا مجانين”.

وبعد ذلك، قاموا بتجربة محاولة تبسيط العملية، بإضافة غازي الهيدروجين والأكسجين بشكل منفصل. وتمكنوا من تحديد أن العملية تتم في خطوتين. أولاً، تضغط ذرات الهيدروجين على سطح البلاديوم، وتدرج نفسها في الشبكة الذرية وتنفخ سطح المعدن، مما يتسبب في تمدده.

ثم، عندما يضاف الأكسجين، يخرج الهيدروجين من مخابئه في البلاديوم ويندمج مع الأكسجين لتكوين قطرات من الماء. وفي الوقت نفسه، يسترخي البلاديوم مرة أخرى إلى حالته الأصلية غير المنتفخة.

ويقول البروفيسور ليو: “قد يبدو البلاديوم باهظ الثمن، لكنه قابل لإعادة التدوير. ولا تستهلكه عمليتنا. الشيء الوحيد الذي نستهلكه هو الغاز، والهيدروجين هو الغاز الأكثر وفرة في الكون. وبعد التفاعل، يمكننا إعادة استخدام منصة البلاديوم مرارًا وتكرارًا”.

إنها عملية بسيطة للغاية، ويمكن توسيع نطاقها. وكل ما تحتاجه هو قطعة أكبر من البلاديوم. وفي ظل وجود إمداد ثابت من الأكسجين والهيدروجين المعاد تدويرهما، يمكن بناء جزيئات الماء من الصفر على مسكن قمري، أو قاعدة على المريخ، أو محطة فضائية، أو ربما رحلة فضائية طويلة المدى إلى النجوم.

ويمكن لقطعة كبيرة من البلاديوم أن تكمل إمدادات المياه على الأرض حيث المياه نادرة والبول المعاد تدويره موجود في القائمة. ونتصور أن منافع البلاديوم قد تكون تغييرًا مرحبًا به. وللمعلومية، نُشر البحث في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://www.sciencealert.com/watch-the-smallest-water-droplet-ever-seen-grow-molecule-by-molecule

الهوامش:

[1] المجهر الإلكتروني النافذ هو تقنية مجهرية يتم فيها نقل شعاع من الإلكترونات عبر عينة لتكوين صورة. غالبًا ما تكون العينة عبارة عن مقطع رقيق للغاية يقل سمكه عن 100 نانومتر أو معلقة على شبكة. تتشكل الصورة من تفاعل الإلكترونات مع العينة أثناء انتقال الشعاع عبر العينة. ثم يتم تكبير الصورة وتركيزها على جهاز تصوير، مثل شاشة فلورية أو طبقة من الفيلم الفوتوغرافي أو كاشف مثل جهاز وميض متصل بجهاز مقترن بالشحنة أو كاشف إلكتروني مباشر. المصدر: ويكيبيديا