شكل الماء: كيف تبدو جزيئات الماء على سطح المواد – ترجمة عدنان أحمد الحاجي

مدخل من المترجم

لازلت مهووساً بخواص هذا السائل  – الماء –  العجيبة التي لا زالت تحير العلماء رغم صغر حجمه وقلة عدد ذراته وانتشاره الواسع في الأرض وعليها وفوقها، لا تكاد تمر فترة زمنية قصيرة حتى تطالعك مراكز الأبحاث بخاصية غريبة لهذا السائل.  من المعروف ان الماء يملك خواص تختلف عن السوائل الاخرى ومنها: الماء يتحول بالضغط من صلب آلى سائل بعكس السوائل الاخرى التي تتحول الى الحالة الصلبة، مما يسمح، مثلاً،  بالتزلج على الجليد بسهولة.  ومنها تمدد الماء بالتجمد بخلاف المواد الاخرى التي تنكمش به ، ومنها كثافة الماء تقل اذا تجمد بخلاف المواد الاخرى مما يمكن الأحياء المائية من البقاء على قيد الحياة في البحيرات المتجمدة.

**النص**

ولّف باحثون بين تقنيات تحليل البيانات ومحاكاة الديناميات الجزيئية لفهم بنيوية الماء على أسطح المواد.

الماء مادة مألوفة موجودة في كل مكان تقريبًا. خصائص طبقات جزيئات الماء القليلة الأولى الملامسة لأسطح المواد (والتي تسمى “الماء السطحي”) هي ذات أهمية خاصة في علم المواد. في دراسة حديثة قام بها البروفيسور تاكاهيرو ياماموتو من جامعة طوكيو للعلوم ، استخدم الباحثون أدوات تحليل بيانات إحصائية للكشف عما يحدث لجزيئات الماء فوق سطح الجرافين.

معرفة التفاعلات والتراكيب الجزيئية المختلفة التي تنشأ بين جزيئات الماء السطحي ستمكّن الباحثين والمهندسين من تطوير جميع أنواع المواد الجديدة الكارهة للماء (لا تذوب في الماء) /المحبة للماء (تذوب في الماء) أو تحسين المواد الموجودة. على سبيل المثال، الاحتكاك الناتج عن الماء على السفن يمكن التقليل منه من خلال هندسة المواد ، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى. التطبيقات الأخرى لهذه المواد ، على سبيل المثال لا الحصر، عمليات زراعة الأعضاء الطبية والأسطح المضادة للثلج بالنسبة للطائرات. ومع ذلك ، فإن الظواهر التي تحدث في الماء السطحي معقدة للغاية لدرجة أن جامعة طوكيو للعلوم ، في اليابان ، قد أنشأت مركزًا مخصصًا للبحوث يسمى “مركز علوم  تكنلوجيا الماء الرائدة Water Frontier Science and Technology” ، حيث تتعامل مجموعات بحثية مختلفة مع هذه المشكلة من زوايا مختلفة (التحليل النظري ، الدراسات التجريبية ، وتطوير المواد ، وهلم جرا). يقود البرفسور تاكاهيرو ياماموتو مجموعة من الباحثين في هذا المركز ، وهم يحاولون حل هذا اللغز من خلال محاكاة الهياكل المجهرية وخصائصها ووظائفها المائية على سطح المواد.

لهذه الدراسة على وجه الخصوص ، والتي نشرت في المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية (١) ، باحثون من جامعة طوكيو للعلوم ، بالتعاون مع باحثين من قسم ساينس سوليوشين Science Solutions، في معهد ميزوهو Mizuho المتحد للمعلومات والبحوث، ركزوا على التفاعلات بين جزيئات الماء والجرافين ، الجرافين مادة كربونية محايدة الشحنة ويمكن جعلها مسطحة ذريًا. يوضح البرفسور ياماموتو: “لقد جذب الماء السطحي على المواد النانوية الكربونية مثل الجرافين الكثير من الاهتمام لأن خصائص هذه المواد تجعلها مثالية لدراسة التركيب المجهري للماء السطحي”. لقد تم الإشارة بالفعل في دراسات سابقة إلى أن جزيئات الماء على الجرافين تميل إلى تشكيل أشكال مضلعة polygon مستقرة / ثابتة (ذات بعدين) في كل من الماء السطحي والماء “الحر” (الماء الحر هو جزيئات الماء البعيدة عن سطح المادة). علاوة على ذلك ، لوحظ أن احتمال العثور على هذه الهياكل كان مختلفًا اختلافًا جذريًا في الماء السطحي عنه في الماء الحر. ومع ذلك ، الاختلافات بين الماء السطحي والماء الحر ينبغي أن تؤصل ، ومن الصعب تحليل الانتقال بين الإثنين باستخدام طرق محاكاة تقليدية.

بالنظر إلى هذه الحالة، قرر فريق البحث التوليف بين طريقة مأخوذة من علم البيانات ، تسمى التشابه الثابت PH ، مع محاكاة الديناميات الجزيئية. يسمح التشابه الثابت PH بوصف بنيويات البيانات ، بما في ذلك ما تحتويه الصور / الرسومات ، ولكن يمكن استخدامها أيضًا في علم المواد لإيجاد بنيويات ثلاثية الأبعاد ثابتة بين الجزيئات. “تمثل دراستنا استخدام ال PH للتحليل البنيوي لجزيئات الماء لأول مرة” ، يلاحظ البروفيسور يماماتو Yamamoto.  من خلال هذه الإستراتيجية ، تمكن الباحثون من الحصول على فكرة أفضل عما يحدث لجزيئات الماء السطحي كلما أضيفت المزيد من طبقات الماء من الأعلى.

عندما توضع طبقة واحدة من جزيئات الماء فوق الجرافين ، فإن جزيئات الماء تصطف بحيث تشكل ذرات الهيدروجين بنيويات متعددة الأضلاع ثابتة بأعداد مختلفة من الأضلاع من خلال روابط الهيدروجين. هذا “يثبّت” الإتجاه والموقع النسبي لجزيئات الطبقة الأولى للماء، والتي تشكل الآن أشكالًا موازية لطبقة الجرافين. لو آضيفت طبقة ثانية من جزيئات الماء ، فإن جزيئات الطبقة الأولى والثانية تشكل هياكل ثلاثية الأبعاد تدعى أشكال رباعية الأسطح tetrahedrons،  تشبه شكل الهرم ولكن ذات قاعدة ثلاثية. من الغريب أن هذه الأشكال رباعية السطوح مولية/ مشيرة pointing في الغالب الى الأسفل (نحو طبقة الجرافين) ، لأن هذا الاتجاه “موات بقوة”. بمعنى آخر ، الترتيب / التنظيم من الطبقة الأولى ينتقل إلى الطبقة الثانية لتشكيل هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد ذات الإتجاه المتسق. ومع ذلك ، عند إضافة طبقة ثالثة وأكثر ، فإن الأشكال رباعية السطوح التي تتشكل لا تولي/تشير  point بالضرورة باتجاه الأسفل ، وبدلاً من ذلك تبدو حرة لتشير في أي اتجاه ، متأثرة بالقوى المحيطة بها. “تؤكد هذه النتائج أن التقاطع بين الماء السطحي والماء الحر يحدث في ثلاث طبقات فقط من الماء” ، كما يوضح البروفيسور ياماموتو.

أعد الباحثون شريط فيديو لإحدى عمليات المحاكاة التي قاموا بها حيث تم إبراز الهياكل ثنائية وثلاثية الأبعاد هذه ، مما يسمح للمرء بفهم الصورة الكاملة. “إن دراستنا مثال جيد على تطبيق تقنيات تحليل البيانات الحديثة لاكتساب رؤى جديدة وهامة” ، كما يضيف البرفسور ياماموتو. ما هو أكثر من ذلك ، قياس هذه التنبؤات بشكل تجريبي على الجرافين من خلال تقنيات الفحص بمجهر القوة الذرية لا ينبغي أن يكون صعباً، والذي سيؤكد بلا شك وجود هذه الهياكل وتزيد من التحقق من صحة توليفة التقنيات المستخدمة. يخلص البروفيسور ياماموتو إلى أنه “على الرغم من أن الجرافين سطح بسيط إلى حد ما ويمكننا أن نتوقع هياكل مائية أكثر تعقيدًا على أنواع أخرى من المواد ، فإن دراستنا توفر نقطة انطلاق لمناقشة تأثيرات السطوح الأكثر واقعية ، ونتوقع أن يؤدي ذلك إلى التحكم في خصائص السطوح”.

فيديو:

مصدر من داخل النص:
١- https://iopscience.iop.org/article/10.7567/1347-4065/ab6564

المصدر الرئيسي:
https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/archive/20200206003.html