האם אפשר ליצור קרח בטמפרטורת החדר?

בשנים שאחרי מלחמת העולם השנייה פיתח לכאורה פליקס הויניקר, פיזיקאי מחונן פרי דמיונו הפורה של הסופר קורט וונגוט (עריסת החתול, 1963), חומר ייחודי המכונה "קרח תשע". הקרח שלו היה בעצם מים שקפאו לגבישים כבר בטמפרטורה של 45 מעלות צלזיוס. בספר הם נועדו להקל על הנחתים האמריקאים לחצות את נהרות וייטנאם, אך בסוף הובילו להשמדת האנושות.

הקרח של הויניקר אמנם דמיוני, אך האם במציאות מים יכולים לקפוא בטמפרטורות גבוהות בהרבה מאפס מעלות צלזיוס?

מים בתנאים רגילים

מצב הצבירה של כל חומר, ובכלל זה מים, נקבע על ידי התנאים הפיזיקליים שהוא נמצא בהם: טמפרטורה, לחץ ונפח. בחיי היומיום, הלחץ סביבנו עומד על אטמוספרה אחת בערך, והוא נוצר מהכוח שמפעיל עלינו האוויר שנמצא מעלינו. מקובל לכנות את הלחץ הזה בשם "לחץ אטמוספרי". בתנאים האלה, הדרך הפשוטה ביותר להעביר מים למצב מוצק היא לקרר אותם עד מתחת לאפס מעלות צלזיוס.

בטווח הטמפרטורות והלחצים הרגיל שאנו מכירים על פני כדור הארץ, אין שום אפשרות לגרום למים לקפוא בטמפרטורה גבוהה יותר מאפס מעלות צלזיוס. גם אם נגביר את הלחץ מעל למאתיים אטמוספרות, הם עדיין יישארו נוזל.

אולם אם נרחיב את המבט מעבר לתנאים הסטנדרטיים, המים מתנהגים קצת אחרת. כאשר אנו מקררים מים לקיפאון בלחץ אטמוספרי רגיל, אנחנו גורמים בעצם למולקולות שלהם להאט את תנועתן עד כדי כך שהן מפסיקות לזרום, נקשרות זו לזו בעוצמה והופכות למוצק – קרח. באופן דומה, חימום המים גורם למולקולות לנוע מהר מאוד, עד שהן מפסיקות להיקשר זו לזו ומתפזרות באוויר בצורת אדים. אולם אפשר לגרום למים להפסיק לזוז לא רק על ידי קירור אלא גם על ידי עלייה קיצונית בלחץ.

אם ניקח מים בטמפרטורות שבהן הם נוזלים, ונגביר את הלחץ עליהם עד  שיגיע ליותר מפי עשרת-אלפים מהלחץ האטמסופרי הרגיל, הנפח שלהם יקטן, בשונה מקרח רגיל, והם יהפכו לסוג קרח שמכונה "קרח שבע". לקרח הזה יהיה מבנה גבישי שונה מהקרח הרגיל – בעוד שבקרח רגיל מולקולות המים מסתדרות בצורת משושים, בקרח שבע המים מסתדרים בקוביות. יכול להלכה להתקיים גם מבנה שמכונה "קרח תשע", אך בניגוד למה שהציע וונגוט בספרו, הוא ממש לא קיים בטמפרטורה של 45 מעלות צלזיוס, אלא רק בלחצים גבוהים ובטמפרטורות נמוכות מאוד.

בתוך צינוריות הפחמן המים הופכים למוצק גם בטמפרטורה גבוהה ובלחץ אטמוספרי רגיל | צילום: MIT

ובכל זאת, קרח "חם"

למרות זאת, אפשר להערים על המים. לאחרונה הצליחו חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטסס (MIT), ליצור מים מוצקים בטמפרטורות גבוהות בלחצים רגילים לגמרי. הם יצרו צינוריות פחמן זערוריות, בקוטר של קצת יותר מננומטר בודד (מיליונית המילימטר), והצליחו למדוד בהן את הטמפרטורה שבה המים הפכו ממוצק לנוזל. הם מצאו כי מים בתוך צינורית פחמן בקוטר של 1.06 ננומטר התחילו להפשיר רק כשהם הגיעו אל מעל למאה מעלות צלזיוס, כנראה מכיוון שקוטרן הדק של הצינוריות מאלץ את המים להסתדר בצורה גבישית מסודרת – מהמאפיינים המובהקים של מים מוצקים.

אם כך, מים לא יכולים לקפוא סתם כך בטמפרטורות גבוהות, כפי שבדה קורט וונגוט. אולם בלחצים גבוהים מאוד או בצינוריות פחמן זערוריות אפשר בהחלט לגרום להם לקפוא גם בטמפרטורות גבוהות.