למה הקרח חלק? מתברר שלשאלה הפשוטה הזאת יש תשובה מורכבת – ומרתקת
בספרו "עריסת חתול" תיאר קורט וונגוט חומר חדש ומסקרן בשם "קרח תשע" – צורה מוצקה של מים, שנקודת ההתכה שלה בלחץ האוויר של כדור הארץ היא 45.8 מעלות צלזיוס, במקום אפס מעלות. כשקרח 9 בא במגע עם מים בטמפרטורה הנמוכה מנקודת ההתכה שלו – הם קופאים מייד. מכאן גם נולד שמה של להקת רוק ישראלית משנות התשעים.
אחיו של וונגוט, ברנרד, היה מדען שחקר גבישי קרח באטמוספרה, ובמשך שנים חשבו שהוא היה זה שהגה את הרעיון. בהמשך התברר שוונגוט התוודע לרעיון שהעלה שנים קודם לכן הכימאי זוכה פרס נובל אירווינג לנגמיור (Langmuir), שמצידו בכלל קיווה בשעתו לפתות ענק מדע בדיוני אחר, ה"ג' ולס, לכתוב ספר על בסיס הרעיון המדעי שלו. בשנים האחרונות אותו קרח תשע בדיוני זוכה לעדנה מסוימת, שכן חוקרים אחדים ניסו לחזות את קיומו ביקום. זוהי עוד דוגמה לחיבורים היפים הקיימים בין מדע למדע בדיוני, אבל היא רק הקדמה לחדשות מממלכת הקרח.
60 שנה אחרי "עריסת חתול", צוות פיזיקאים מסין התחקה בהצלחה אחרי התשובה לתעלומה מקפיאה שטורדת את מנוחתם של מדענים כבר זמן רב: מדוע הקרח חלק? השאלה נשמעת פשוטה במיוחד, אולי אפילו טיפשית. אבל פיזיקאים אוהבים לתת תשובות גם לשאלות שנראות לכאורה מובנות מאליהן, אך כשחוקרים אותן לעומק מתברר שהן מסובכות למדי. ממצאיהם פורסמו לאחרונה בכתב העת Nature.
איך מסבירים את העובדה שהקרח חלקלק גם בטמפרטורות נמוכות מטמפרטורת ההתכה שלו? בחורה מחליקה ומועדת על הקרח | New Africa, Shutterstock
על פני השטח
כבר במאה ה-19 תהה מייקל פאראדיי (Faraday), מאבות התיאוריה האלקטרומגנטית הקלאסית, על אופיים החלקלק של פני השטח של קרח. אילו היה מדובר רק בקרח שהגיע לטמפרטורת ההתכה שלו – אפס מעלות צלזיוס בגובה פני הים – ההסבר היה מובן מאליו: בטמפרטורה הזאת נוצרת על פני הקרח שכבה דקה של מים נוזליים, שקל מאוד להחליק עליהם. אך הקרח חלק ומסוכן להליכה גם בטמפרטורות הרבה יותר נמוכות. פאראדיי קרא לזה "התכה מוקדמת", וגם קישר את זה לתופעה הנלווית של שתי חתיכות קרח שנדבקות זו לזו. במרוצת השנים פותחו כמה מודלים תיאורטיים שביקשו להסביר את התופעה.
אם נשים לרגע את המודלים בצד, עד כה כל המחקרים שבחנו את המבנה של קוביית הקרח מצאו שהוא אחיד, כלומר לא נחזו במעבדה מעולם שום הבדלים מבניים בין המעטפת של קוביית קרח, לבין הליבה שלה. הסיבות, לדברי החוקרים, היו טכניות גרידא: רשת הקשרים הכימיים המחברת בין מולקולות המים במעטפת – קשרים המכונים קשרי מימן, פשוט כי הם מתקיימים בין אטומי מימן במולקולות שכנות – היא רשת חלשה ופגיעה מדי. כמו כן, ההתכה המוקדמת היא תהליך מסובך מדי לתצפית ישירה.
על מנת לשבור את סודו של הקרח נזקקו החוקרים לטכניקה חדשה. הם בחנו את מעטפת הקרח ואת הליבה שלו באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM). מדובר בכלי רב עוצמה לחקר פני השטח של חומרים. אומנם אי-אפשר לקבוע באמצעותו ממה השטח מורכב, אבל הוא מאפשר לדמות בדיוק ראוי לציון איך פני השטח של החומר נראים. לדיוק הזה אחראי חיישן עדין ודקיק שרגיש לכל כוח שפועל בינו לבין המשטח – כוחות חשמליים ומגנטיים, כוחות מכניים ואפילו תנודות קוונטיות. כל אזור במרחב מפעיל סך שונה של כוחות, וכך אפשר לשחזר את המבנה הטופוגרפי של החומר לפרטי פרטים.
השימוש במיקרוסקופ נעשה בטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, שבה מוסכם על הכול שתופעת ההתכה המוקדמת אכן קיימת. להפתעתם הם גילו שהמבנה של מעטפת הקרח שונה מזה של ליבתו. בעוד שבחלקים הפנימיים של קוביית הקרח המולקולות מסודרות במבנים משושים צפופים, בפאות החיצוניות רק חלק מהמבנים הם כאלה, ומעורבים בהם מבנים אחרים שצורתם קובייתית.
בעומק גביש הקרח המולקולות מסודרות במבנים משושים. קשרי המימן בין מולקולות מים במצב מוצק | udaix, Shutterstock
ממשק חלקלק
המבנה המשושה מוכר כבר שנים רבות. הכימאי זוכה פרס נובל ליינוס פאולינג (Pauling) גילה אותו ב-1935. המבנה הקובייתי מוכר הרבה פחות – והוא הופק לראשונה במעבדה רק ב-2020. שני אלה הם חלק מ-21 מופעים (פאזות) שונים של קרח שידועים למדע המודרני ונצפו בפועל. קרח תשע, כאמור, אינו ביניהם.
לאחר שזיהו את ההבדלים המבניים בין מעטפת הקרח לליבה שלו, פנו החוקרים לבחון את התווך המפריד ביניהן. הם ראו שבמקום המפגש ביניהם נוצרו פגמים במבנה הגבישי. כשהעלו את הטמפרטורה בסביבת הניסוי, אי-הסדר במבנה הגבישי גדל, עקב התרבות הפגמים. לדבריהם, זוהי בדיוק תופעת ההתכה המוקדמת: הפגמים באזור המגע בין שני המופעים של הקרח יוצרים אי-סדר מקומי, שבפועל אנו חווים אותו כתחושה שהקרח חלקלק. לאישוש התצפיות ערכו החוקרים הדמיות מחשב מתחום הכימיה הקוונטית, שאכן הראו כי אי-הסדר המקומי שנוצר מתפשט אל כל פני השטח של הקרח.
בשל העדינות הנדרשת להפעלת המיקרוסקופ, הניסוי כולו בוצע ברִיק, ולדברי החוקרים הטמפרטורות הנמוכות מאוד נועדו למנוע המראה של הקרח – הפיכתו המיידית ממוצק לגז בלי שלב נוזלי. החוקרים מציינים כי בשלב הבא בכוונתם לבחון איך הבזקי לייזר קצרים, שיחממו את פני השטח של הקרח, ישפיעו על המבנה שלו.
"הקרח נסדק, כבוד חבר המושבעים", אמר הנוכל הבדיוני אוֹסְטַפּ בֶּנְדֶר, גיבור ספריהם של הסופרים הרוסים אילף ופטרוב, "שנים עשר כיסאות" ו"עגל הזהב". ואכן המחקר החדש מציעה תשובה משכנעת לשאלה ארוכת שנים, וסודק את מעטה הקרח של צפונות הטבע.
