🔬 condensed matter

Shear and bulk viscosities of water up to 1.6 GPa and anomaly in the structural relaxation time

اكتشف الباحثون، باستخدام تقنيات تشتت الضوء المركبة والمحاكاة، أن لزوجة القص للماء تزداد بشكل أسرع من لزوجته الحجمية تحت الضغط العالي، بينما يصل زمن الاسترخاء الهيكلي إلى حد أدنى عند حوالي 0.5 جيجا باسكال بسبب شذوذ هيكلي يسرع من توازن الروابط الهيدروجينية.

المؤلفون الأصليون: Jan Eichler, Johannes Stefanski, José Martin Roca, Isabelle Daniel, Bruno Issenmann, Chantal Valeriani, Frédéric Caupin

نُشر 2026-03-19

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Jan Eichler, Johannes Stefanski, José Martin Roca, Isabelle Daniel, Bruno Issenmann, Chantal Valeriani, Frédéric Caupin

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل الماء ليس فقط كمادة تشربها أو تسبح فيها، بل كشخصية خجولة ومعقدة تغير شخصيتها بناءً على مقدار الضغط الذي تمارسه عليها.

هذه الورقة البحثية تتحدث عن فريق من العلماء قرروا أن يلعبوا لعبة "الضغط" مع الماء، ولكن ليس قليلاً فحسب. لقد حشروه في غرفة ضغط صغيرة وعالية التقنية (خلية سندان الماس) وضغطوه بقوة تزيد بمقدار 16,000 مرة عن الضغط الجوي الذي يضغط عليك الآن. هذا هو نوع الضغط الموجود في أعماق قشرة الأرض أو داخل الأقمار الجليدية لكوكب المشتري.

إليك قصة ما وجدوه، مشروحة ببسا البساطة:

1. نوعان من "الالتصاق"

عندما نتحدث عن كون الماء "كثيفاً" أو "لزجاً"، فإننا نعني عادةً اللزوجة القصية (Shear Viscosity). فكر في هذا كالمقاومة التي تشعر بها عندما تحاول تحريك العسل بملعقة. إنها مدى صعوبة انزلاق طبقات السائل فوق بعضها البعض.

لكن للماء نوع ثانٍ سري من الالتصاق يسمى اللزوجة الحجمية (Bulk Viscosity). تخيل أنك تحاول ضغط إسفنجة؛ إذا كانت الإسفنجة "إسفنجية" جداً، فإنها تقاوم الانضغاط. اللزوجة الحجمية هي مدى مقاومة الماء للانضغاط أو التمدد.

الاكتشاف:
عادةً، عندما تضغط على سائل ما، يزداد كلا النوعين من الالتصاق. لكن العلماء وجدوا شيئاً غريباً في الماء:

بينما كانوا يضغطون بقوة أكبر، زادت "لزوجة التحريك" (القصية) بسرعة.
أما "لزوجة الضغط" (الحجمية)، فقد زادت، ولكن ببطء.
النتيجة: انخفضت النسبة بينهما إلى النصف. أصبح الماء يشبه إلى حد كبير مادة صلبة تقاوم الانزلاق، ولكنه أصبح أقل شبهاً بالإسفنجة التي تقاوم الانضغاط.

2. لغز "الاسترخاء"

لفهم سبب حدوث ذلك، نظر العلماء إلى ما يسمى زمن الاسترخاء الهيكلي (Structural Relaxation Time).

التشبيه:
تخيل ساحة رقص مزدحمة حيث يمسك الجميع بأيدي بعضهم البعض في نمط محدد (الروابط الهيدروجينية). إذا توقفت الموسيقى، يجب على الجميع ترك أيدي بعضهم والبحث عن مكان جديد. الوقت الذي يستغرقه الناس للاستقرار في ترتيب جديد ومريح هو "زمن الاسترخاء".

في السوائل العادية: إذا ضغطت ساحة الرقص (زدت الضغط)، سيصبح الراقصون أكثر تكتلاً. سيصبح من الصعب التحرك، لذا سيستغرق الأمر وقتاً أطول لإيجاد مكان جديد. أي أن زمن الاسترخاء يزداد.
في الماء: وجد العلماء أنه في البداية، جعل الضغط على ساحة الرقص الراقصين يتحركون بشكل أسرع. لقد وجدوا طريقة جديدة وأسرع لإعادة ترتيب أنفسهم!
النقطة الدنيا: حدث هذا التسارع حتى وصل الضغط إلى حوالي 0.5 جيجا باسكال (حوالي 5,000 ضعف الضغط الطبيعي). عند هذه النقطة تحديداً، كان الماء يعيد ترتيب نفسه بأقصى سرعة له (حوالي 1 بيكوثانية، أي جزء من تريليون من الثانية). بعد تلك النقطة، بدأ يتباطأ مرة أخرى مثل السائل العادي.

3. لماذا يحدث هذا؟ (الماء ذو الوجهين)

تشير الورقة البحثية إلى أن الماء يشبه شخصاً يرتدي ملابس مختلفة:

الزي (أ) (كثافة منخفضة): هيكل مفتوح، فضفاض، رباعي الأوجه (مثل شكل الهرم) متماسك بواسطة روابط هيدروجينية قوية. هذا هو شكل الماء عند الضغط العادي.
الزي (ب) (كثافة عالية): هيكل أكثر ضيقاً وفوضوية وانضغاطاً.

عند الضغط المنخفض، يحب الماء الزي (أ). وعند الضغط العالي جداً، يُجبر على ارتداء الزي (ب).
اللحظة السحرية: عند ذلك الضغط المحدد (0.5 جيجا باسكال)، يكون الماء في "نقطة مثالية" حيث يمكنه الانتقال بين الزي (أ) والزي (ب) بسهولة فائقة. إنه مثل راقص وجد الإيقاع المثالي للتبديل بين ملابسه فوراً. هذا التبدل السريع يجعل الماء "يسترخي" بشكل أسرع مما كان عليه في أي وقت مضى أو بعد ذلك.

4. لماذا يجب أن نهتم؟

قد تفكر: "من يهتم بالماء تحت الضغط الشديد؟" لكن هذا الأمر مهم لـ:

الحياة على الأرض: هناك ميكروبات تعيش على بعد أميال تحت الأرض في الصخور. هي تعيش في ماء تحت ضغط عالٍ. إذا أصبح الماء كثيفاً جداً أو تصرف بغرابة، فقد يغير ذلك كيفية حركة هذه الكائنات الدقيقة وبقائها على قيد الحياة.
الحياة في الفضاء: أقمار مثل غانيميد (قمر كوكب المشتري) لديها محيطات من الماء السائل مخفية تحت أميال من الجليد. لفهم ما إذا كانت هذه المحيطات يمكن أن تدعم الحياة أو كيف تنقل الحرارة (الحمل الحراري)، نحتاج إلى معرفة مدى "كثافة" هذا الماء بدقة تحت هذا القدر من الضغط.
استخراج النفط: عندما تقوم الشركات بضخ الماء في أعماق الأرض لدفع النفط خارج الأرض، فإنهم بحاجة لمعرفة كيف سيتصرف هذا الماء تحت هذا الضغط للقيام بذلك بأمان وكفاءة.

الخلاصة

هذه الورقة هي قصة بوليسية عن الشخصية الخفية للماء. من خلال ضغطه بقوة أكبر من أي وقت مضى، اكتشف العلماء أن الماء لا يصبح فقط "أكثر كثافة" تحت الضغط. بدلاً من ذلك، يصل إلى "نقطة مثالية" حيث يعيد هيكله الداخلي ترتيب نفسه بسرعة مذهلة، مما يكشف عن شذوذ جوهري يجعل الماء فريداً حقاً في الكون.

لقد أكدوا ذلك من خلال عمليات محاكاة حاسوبية، مما أظهر أن أفضل نماذجنا الرقمية للماء يمكنها التنبؤ بهذا "التسارع" الغريب قبل حدوثه، مما يمنحنا الثقة في أننا بدأنا أخيراً في فهم الأسرار العميقة لأكثر سوائلنا شيوعاً.

إليك ملخص تقني مفصل للورقة البحثية بعنوان: "لزوجة القص والكتلة للماء حتى 1.6 جيجا باسكال وشذوذ في زمن الاسترخاء الهيكلي."

1. بيان المشكلة

يُظهر الماء خصائص شاذة فريدة (مثل كثافة العظمى، والتمدد الحراري السلبي) مدفوعة بشبكة روابط هيدروجينية رباعية الأوجه مفتوحة. وبينما من المعروف أن لزوجة الماء تنخفض في البداية مع الضغط عند درجة حرارة الغرفة قبل أن تزدัง، فإن سلوكها عند الضغوط العالية (نطاق الجيجاباسكال) لا يزال غير مشخص بشكل جيد.

الفجوة المعرفية: البيانات الموجودة حول لزوجة القص للماء فوق 1 جيجا باسكال شحيحة وتظهر تباينات كبيرة بين الطرق التجريبية المختلفة (مثل كرة التدحرج مقابل الملاقط الضوئية).
الأسئلة غير المحسومة:
- كيف تتطور لزوجتا القص ( $\eta$ ) والكتلة ( $\eta_b$ ) بشكل مستقل عند الضغوط العالية؟
- هل يستمر الانخفاض الشاذ في زمن الاسترخاء الهيكلي ( $\tau$ ) عند الضغوط العالية، أم أن الماء يتحول في النهاية إلى سائل "بسيط"؟
- ما هي الآثار المترتبة على الجيوفيزياء (قشرة الأرض، الحياة تحت السطحية) وعلوم الكواكب (الأقمار الجليدية مثل غانيميد)؟

2. المنهجية

استخدم المؤلفون نهجاً متعدد التقنيات يجمع بين المجهر الديناميكي التفاضلي (DDM) وتشتت بريلوين الضوئي (BLS) داخل خلية سند الماس (DAC) عند حوالي 295 كلفن.

لزوجة القص ( $\eta$ ) عبر DDM:
- المبدأ: قياس الحركة البراونية لكرات البولي ستيرين دون الميكرومترية المعلقة في الماء.
- الابتكار: تكييف تقنية DDM لبيئات خلية سند الماس ذات الضغط العالي. بخلاف الدراسات السابقة للضغط العالي التي استخدمت جسيمات مفردة محتجزة (الملاقط الضوئية) أو كرات التدحرج، تتبع هذه الطريقة الانتشار الجماعي للعديد من الكرات الطافرة بحرية.
- المعايرة: معالجة انضغاط كرات البولي ستيريين وتغير ارتفاع غرفة العينة (ضغط الحشوة) من خلال اشتقاق تصحيح نصف قطر هيدروديناميكي يعتمد على الضغط بناءً على البيانات المرجعية.
لزوجة الكتلة ( $\eta_b$ ) عبر مطيافية بريلوين:
- المبدأ: قياس التشتت غير المرن للضوء الناتج عن تقلبات الكثافة (الموجات الصوتية).
- الاشتقاق: يوفر عرض ذروة بريلوين معامل التوهين الصوتي ( $\alpha$ ). وباستخدام العلاقة $\alpha/f^2 \propto (4/3\eta + \eta_b)$ ، ودمجها مع لزوجة القص ( $\eta$ ) وسرعة الصوت ( $w$ ) المقاسة بشكل مستقل، تمكن المؤلفون من عزل لزوجة الكتلة ( $\eta_b$ ).
النمذجة اللزجة المرنة:
- تم تحليل البيانات التجريبية ( $\eta$ ، $\eta_b$ ، وسرعة الصوت) باستخدام نموذج لزج مرن لاستخراج زمن الاسترخاء الهيكلي ( $\tau$ ) والمعاملات المرنة ( $K_0, K_\infty, G_\infty$ ).
محاكاة الديناميكا الجزيئية (MD):
- تم إجراء عمليات محاكاة باستخدام نموذج الماء TIP4P/2005 للتحقق من صحة الاتجاهات التجريبية واستكشاف الأصول المجهرية للظواهر الملاحظة.

3. المساهمات الرئيسية

القياس المتزامن: أول قياس متزامن وعالي الدقة لكل من لزوجة القص والكتلة للماء حتى 1.6 جيجا باسكال عند درجة حرارة الغرفة.
حل التباينات: توضح الدراسة البيانات المتضاربة في الأدبيات، حيث تدعم نتائج الملاقط الضوئية وطرق كرة التدحرج بينما تحدد الأخطاء المنهجية في محاولات DDM السابقة (التي عُزيت إلى ترسب الجسيمات).
اكتشاف حد أدنى لزمن الاسترخاء: تحديد حد أدنى متميز في زمن الاسترخاء الهيكلي ( $\tau$ ) عند الضغط العالي، وهي ظاهرة لم تُبلغ عنها سابقاً للماء في هذا النطاق.
الربط بالشذوذ الهيكلي: اقتراح أن الحد الأدنى في $\tau$ يتوافق مع شذوذ هيكلي حيث يصل معدل التحول بين البنى المحلية منخفضة الكثافة (رباعية الأوجه) وعالية الكثافة (المضطربة) إلى أقصى حد له.

4. النتائج الرئيسية

أ. لزوجة القص ( $\eta$ )

الاتجاه: يُظهر $\eta$ حداً أدنى ضحلاً بالقرب من الضغط الجوي (متسق مع اتجاهات التبريد) ثم يزداد بشكل رتيب وسريع مع الضغط.
المقدار: عند 1.6 جيجا باسكال، يصل $\eta$ إلى حوالي 4 مللي باسكال·ثانية (حوالي 4 أضعاف القيمة عند الضغط الجوي).
المقارنة: تتوافق البيانات جيداً مع قياسات الملاقط الضوئية ولكنها تختلف بشكل كبير عن بيانات DDM السابقة (التي كانت منخفضة جداً) وعن صيغة IAPWS (التي تقلل من تقدير اللزوجة فوق 1 جيجا باسكال).

ب. لزوجة الكتلة ( $\eta_b$ ) والنسبة

الاتجاه: تزداد $\eta_b$ أيضاً مع الضغط ولكن بمعدل أبطأ من $\eta$ .
النسبة ( $\eta_b/\eta$ ): تنخفض هذه النسبة بشكل ملحوظ، حيث تهبط بمقدار عاملين من 0 إلى 1.6 جيجا باسكال.
- عند 0 جيجا باسكال: $\eta_b/\eta \approx 2.7$ .
- عند 1.6 جيجا باسكال: $\eta_b/\eta \approx 1.3$ .
الأهمية: يشير هذا إلى انفصال آليات استرخاء القص والكتلة تحت الضغط العالي.

ج. زمن الاسترخاء الهيكلي ( $\tau$ )

الشذوذ: على عكس معظم السوائل حيث يزداد $\tau$ بشكل رتيب مع الضغط، فإن $\tau$ للماء ينخفض في البداية.
الحد الأدنى: يصل $\tau$ إلى حد أدنى يبلغ حوالي 1 بيكوثانية (ps) عند 0.5 جيجا باسكال.
التعافي: فوق 0.5 جيجا باسكال، يبدأ $\tau$ في الزيادة، مما يشير إلى العودة إلى سلوك السائل "الطبيعي" حيث يعيق الضغط الحركة الجزيئية.
التفسير: يمثل الحد الأدنى أسرع معدل لتوازن الروابط الهيدروجينية. ويُفسر على أنه شذوذ هيكلي حيث يتم تقليل حاجز الطاقة للتحول بين الأنماط الهيكلية المحلية (رباعية الأوجه مقابل المنهارة) إلى أدنى حد.

د. المعاملات المرنة

يزداد معامل الكتلة ( $K_\infty$ ) ومعامل القص ( $G_\infty$ ) عند الترددات اللانهائية مع زيادة الضغط.
يتبع $K_\infty$ و $G_\infty$ في الماء السائل اتجاهات ضغط مماثلة للجليد السداسي ( $I_h$ ) ولكنهما أقل بنسبة ~20% و ~50% على التوالي، مما يعكس الشبكة رباعية الأوجه الأقل تطوراً في الطور السائل.

5. الأهمية والآثار

الفيزياء الأساسية: تدعم النتائج فرضية "سلسلة الشذوذات". الحد الأدنى في $\tau$ (خاصية ديناميكية) يحدث عند ضغط أعلى من القيم الدنيا للزوجة القص أو الانتشار الذاتي، مما يقترح تسلسلاً هرمياً متداخلاً من الشذوذات الهيكلية والديناميكية والديناميكية الحرارية. يعمل هذا الحد الأدنى كوكيل لـ خط الشذوذ الهيكلي (أقصى درجات اضطراب شبكة الروابط الهيدروجينية).
الجيوفيزياء وعلوم الكواكب:
- الأرض: النتائج حاسمة لنمذجة تدفق السوائل في القشرة العميقة (حتى عمق 25 كم، ~0.7 جيجا باسكال) والحياة الميكروبية تحت السطحية، حيث تؤثر اللزوجة على حركة الخلايا ونقل المغذيات.
- الأقمار الجليدية: بالنسبة للأقمار مثل غانيميد، حيث توجد محيطات تحت سطحية تحت ضغوط تصل إلى ~1.6 جيجا باسكال، فإن بيانات اللزوجة الدقيقة ضرورية لنماذج الحمل الحراري. تشير الدراسة إلى أن نماذج الحمل الحراري التي تستخدم قيم لزوجة ثابتة قد تكون غير دقيقة؛ فاعتماد اللزوجة على الضغط غير خطي وهام.
الأثر المنهجي: يوفر التكيف الناجح لتقنية DDM في خلايا سند الماس (DAC) أداة قوية وموثوقة لقياس اللزوجة في السوائل المعقدة الأخرى وفي الظروف القاسية، متجاوزاً قيود التقنيات السابقة.

في الختام، توفر هذه الورقة خريطة شاملة لسلوك لزوجة الماء تحت الضغط الشديد، كاشفة عن تفاعل معقد بين استرخاء القص والكتلة يبلغ ذروته في "السيولة" (الحد الأدنى لـ $\tau$ ) عند 0.5 جيجا باسكال قبل أن ينتقل الماء نحو سلوك السائل البسيط عند الضغوط الأعلى.