קרח מרחף
בתוך מים

התופעה שבה קרח צף על פני מים נוזליים מכונה האנומליה של המים. כאשר מים קופאים והופכים לקרח, צפיפות החומר קְטֵנָה וכך מקבלים קוביית קרח שצפה על פני המים בכוס, וזאת בניגוד לרוב החומרים המצויים בטבע, שצפיפותם עולה במעבר מנוזל למוצק. יש רשימה של חומרים נוספים המפגינים התנהגות דומה, אך הם אינם נפוצים כמו מים. כעת, צוות חוקרים מלונדון וקיימברידג' שבבריטניה גילו סוג חדש של קרח בעל צפיפות דומה לזו של מים נוזליים, כך שלכאורה הוא יכול לרחף בתוך המים - לא לצוף על פניהם ולא לשקוע לקרקעיתם. לכאורה, כיוון שבפועל, הוא כנראה יותך הרבה קודם.

קרח במבנה גבישי או אמורפי

בתנאים רגילים, קרח הוא מים מוצקים שהמולקולות שלהם מסודרות בגביש במשושים. זוהי צורת הקרח שתימצא במקפיא ביתי ואף במעמקי קרחונים. מבנה הגביש המשושה הוא גם שאחראי לצורות המיוחדות שמאפיינות פתיתי שלג. ישנם עוד 19 סוגים נוספים של קרח גבישי המוכרים כיום למדע, שמתקיימים בתנאים שונים של לחץ וטמפרטורה, סביר להניח שקיימים עוד. לצד עשרים סוגי הגביש השונים של קרח, קרח עשוי גם להימצא בשלל צורות של מוצק אמורפי – חומר מוצק שבו המולקולות אינן מסודרות בתבנית קבועה, אלא מאורגנות בצורה אקראית, כפי שהן מצויות בנוזל. דוגמה נפוצה לחומר אמורפי היא זכוכית.

אומנם קרח גבישי הוא הצורה הנפוצה של מים קפואים על פני כדור הארץ, אך קרח במצב אמורפי מעניין במיוחד משום שהוא נפוץ דווקא מחוץ לכדור הארץ, והסברה היא שרוב הקרח ביקום נמצא במצב כזה. על כן, חקר של מצבי צבירה של קרח אמורפי חשוב מאין כמוהו גם כדי להשלים את ההבנה של המצב המוצק של מים, וגם את ההבנה של תהליכים כימיים מחוץ לכוכב הלכת שלנו.

קרח גבישי הוא הצורה הנפוצה של מים קפואים על פני כדור הארץ, אך קרח במצב אמורפי מעניין במיוחד משום שהוא נפוץ דווקא מחוץ לכדור הארץ | צילום: Steve Allen Shutterstock

קרח קרח תכתוש

עד היום, התגלו צורות של קרח אמורפי בעלות צפיפות נמוכה ביחס לצפיפות של מים נוזליים (בדומה לקרח גבישי), וכן קרח אמורפי בעל צפיפות גבוהה יחסית למים נוזליים. בין לבין היה פער גדול, ולא הייתה מוכרת צורה של קרח בעלת צפיפות דומה לזו של מים נוזליים. במאמר שפורסם לאחרונה, דיווח צוות החוקרים לראשונה על גילוי של קרח אמורפי שצפיפותו דומה לזו של  מים נוזליים. את הקרח האמורפי הזה ייצרו החוקרים על ידי טחינת קרח רגיל באמצעות כדורי פלדת אל-חלד בטמפרטורה של 196 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. תהליך הטחינה הממושך גרם לריסוק הגבישים לחלוטין, תוך כדי התמצקותם מחדש למצב האמורפי. את המבנה המיקרוסקופי של החומר ואת צפיפותו הסיקו החוקרים בעזרת קרני X (קרני רנטגן), שהיא שיטה מקובלת לקביעת מבנה של חומר.

אומנם מצב הצבירה החדש של קרח שהחוקרים ייצרו הוא בעל צפיפות דומה לצפיפות המים, אך את התמונה הסוריאליסטית של קוביית קרח מרחפת מתחת לפני המים בתוך כוס אי-אפשר לקבל – הקרח החדש יציב רק בטמפרטורות מאוד נמוכות, ועם עליית הטמפרטורה הוא הופך לקרח "רגיל". עם זאת, התגלית חושפת פנים נוספים של המים, החומר המופלא שיש לו תפקיד מרכזי ומהותי בעיצוב פני כדור הארץ. ייתכן שצורה זו של קרח נפוצה במקומות ברחבי מערכת השמש שבהם קיים קרח אמורפי, כמו על פני הירחים של כוכבי הלכת צדק ושבתאי.