الأكسجين

غشاء شفاف من أكسيد البزموت-تنجستن موضوع على ركيزة ولا يوصل التيار. ثلاث دقائق في سحابة بلازما النيتروجين تجعله يسودّ، وتنخفض مقاومته بمقدار مليار مرة. السر ليس في ذرات جديدة، بل في إعادة ترتيب الذرات القديمة: الأماكن الفارغة التي كانت تحتضن الأكسجين تصطف في صفوف منتظمة، كجنود ينفذون أمرًا. هذا الصف من الفراغات يتحول إلى طريق للإلكترونات.

الموصل الفائق هو مادة تنقل التيار الكهربائي دون فقدان، تمامًا كالماء الجاري في أنبوب أملس تمامًا. في الموصلات الفائقة النحاسية، المعروفة باسم الكوبرات (cuprates)، تعمل الإضافات الدقيقة من الأكسجين كمقبض للتحكم في الصوت: زيادة طفيفة تجعل المادة تنتقل إلى حالة التوصيل الفائق، ونقصان طفيف يفقدها هذه الخاصية.

الموصل الفائق هو مادة تنقل التيار الكهربائي دون فقدان، تمامًا كالماء الجاري في أنبوب أملس تمامًا. في الموصلات الفائقة النحاسية، المعروفة باسم الكوبرات (cuprates)، تعمل الإضافات الدقيقة من الأكسجين كمقبض للتحكم في الصوت: زيادة طفيفة تجعل المادة تنتقل إلى حالة التوصيل الفائق، ونقصان طفيف يفقدها هذه الخاصية.

إذا أطفأت الموقد، يتوقف الماء عن الغليان فورًا تقريبًا. وفي عالم التحفيز، كان المتوقع مشهدًا مشابهًا: أوقف التفاعل، فتختفي كل الجسيمات الوسيطة في الحال. لكن الملاحظات الجديدة على فتات البلاتين أظهرت شيئًا مختلفًا تمامًا.

وميض ضوئي يستغرق جزءاً من ألف من الثانية لا يسخّن الجسم — على عكس الوميض العادي الذي يستمر لثانية كاملة. اكتُشف تأثير مشابه في العلاج الإشعاعي: عندما تُعطى الجرعة الإشعاعية خلال ميلي ثانية بدلاً من دقائق، تتضرر الأنسجة السليمة بدرجة أقل. وقد سُمي هذا تأثير فلاش (FLASH).

الماء في الكوب يبدو بسيطًا، لكن لتقسيمه إلى أكسجين وهيدروجين بضوء الشمس، لا يكفي مجرد نقل الإلكترونات — بل يجب أن "تتفق" أيضًا على اتجاه دورانها. يولد جزيء الأكسجين بإلكترونين غير متزاوجين يدوران في الاتجاه نفسه. هذه القاعدة الكمومية أعاقت المهندسين طويلًا، حتى وجد فريق من الباحثين الحل مستوحى من الطبيعة نفسها.

كعكة طبقية من مستويات ذرية من النيكل والأكسجين — هكذا تُبنى النيكلات ثنائية الطبقة. فيها يفصل بين مستويين من هذا القبيل طبقة فاصلة. إذا جلست ذرة أكسجين في هذه الطبقة الفاصلة، فإنها تعمل كجسر: تربط الطبقات وتطلق حالة تتحرك فيها الإلكترونات دون مقاومة. أما إذا غاب الأكسجين، ينهار الجسر، وتظهر في المادة تموجات مغناطيسية — موجات كثافة السبين.

في بلورة من الماء وهيدروكسيد السيزيوم، تجلس ذرات الأكسجين والسيزيوم في أماكنها كخرزات في شبكة صلبة. أما ذرات الهيدروجين فسلوكها مختلف — فهي كركاب يعيدون ترتيب أنفسهم باستمرار من مكان إلى آخر. في هذه المادة الطبقية، يرتبط كل أكسجين بثلاثة جيران عبر جسور هيدروجينية، مشكلًا ما يشبه أقراص العسل.

تشبه الكوندريولات قطرات مطر متجمدة من الصخر. حجمها بحجم حبة رمل، لكنها تحفظ تاريخ أول ملايين السنين من عمر النظام الشمسي. ذات يوم، كانت هذه القطرات تسبح في غاز حار حول الشمس الفتية، ثم التحمت لتكوّن كويكبات وسقطت على الأرض ضمن نيازك. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا للقرص الذي وُلدت فيه الكواكب. تتبعوا رحلة الأكسجين عبر القرص مع المادة المتساقطة من السحابة.

عندما يجد جزيء الماء نفسه بجوار حلقة كربونية — على سبيل المثال، في بنية عطرية — يبدأ بالاهتزاز، وسرعان ما تقع هذه الاهتزازات تحت سيطرة قائد غير مرئي. سحابة الإلكترونات للحلقة، مثل المايسترو، تتفاعل بشكل انتقائي مع حركات الجزيء: فهي تخمد بعض أنماط الاهتزازات وتضخم أخرى بشكل رنيني.

الألواح الشمسية العادية تحول الضوء إلى كهرباء، أما هنا فالضوء يفكك الماء إلى هيدروجين وأكسجين. الهيدروجين وقود نظيف، لكن العملية بطيئة. لتسريعها، تُضاف مواد مساعدة تمنح الإلكترونات. غالبًا ما يكون الكحول هو هذه المادة، لكن من المؤسف إهداره. في الدراسة الجديدة، لعبت الطحالب الدقيقة دور المساعد — كائنات صغيرة تعيش أصلًا في الماء وتمتص ثاني أكسيد الكربون.

في فجر الأرض، قبل حوالي أربعة مليارات سنة، كان الكوكب مكانًا قاسيًا: شمس خافتة، اصطدامات متكررة بالكويكبات، وهواء بلا أكسجين. في ظل هذه الظروف، تبدو الخطوات الأولى للحياة شبه مستحيلة. لكن هناك فرضية تقول إن الحياة احتمت في برك دافئة ضحلة، حيث كان الماء يجف ثم يمتلئ من جديد.

الهيدروجين وقود نظيف: عند احتراقه لا ينتج سوى الماء. ولكن لاستخراجه من الماء، يجب كسر الرابطة القوية بين الهيدروجين والأكسجين. عادةً ما يتم ذلك باستخدام البلاتين، وهو معدن باهظ الثمن. ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) — معدن رخيص يشبه الجرافيت — يمكن أن يحل محل البلاتين إذا تم تحضيره بشكل صحيح.

يتصادم قلبان نجميان محترقان ويندمجان في قلب واحد. هكذا تولد نجوم R الإكليل الشمالي — نجوم نادرة يتواجد فيها الأكسجين-18 بمعدلات تفوق نظيرتها في الشمس بمئات المرات. لكن كيف يحدث ذلك بالضبط ظل لغزًا.

يشبه الغبار القمري الرمل الرمادي، لكنه لا يحتوي على نَفَس هواء واحد. الأكسجين موجود فيه، لكنه مرتبط بشدة داخل الصخور، مثل السكر في الكراميل. لإخراجه، يجب كسر الروابط الكيميائية، ويبحث العلماء عن أبسط طريقة. في المختبر، أخذوا تربة قمرية اصطناعية، صُنعت وفقًا لعينات من بعثات "أبولو" والصينية "تشانغ آه".

في الهواء الذي نتنفسه، تحدث باستمرار أحداث كيميائية غير مرئية للعين. أحدها هو ولادة وموت لحظي لجسيم بصيغة H₂COO. يُطلق عليه "مركب وسيط": يظهر لجزء من الثانية عندما تصطدم جزيئات الأوزون بمواد عضوية، ثم يتحلل فورًا إلى شظايا أبسط. هذا الجسيم مثل ساعي بريد يخرج من الباب ويسقط الطرد فورًا: المهم هو ما الذي يسقط وفي أي اتجاه. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا يحاكي سلوك كل ذرة في هذا الجسيم.

لمعرفة ما إذا كان هناك ماء في صخرة من المريخ دون كسرها، استخدم العلماء التصوير بالنيوترونات والأشعة السينية - على غرار ما يحدث في المستشفيات عند التقاط الصور. تلتقط النيوترونات الهيدروجين، الذي هو أساس الماء، مما يسمح برسم خريطة للرطوبة داخل العينة. في النيزك NWA 7034، وهو قطعة من قشرة المريخ، عُثر على معادن تشبه الصدأ ولكنها مشبعة بالماء.

في كل ورقة، تحت الضوء، يعمل مصنع يفكك الماء إلى أكسجين وهيدروجين. الأكسجين يخرج إلى الهواء الذي نتنفسه، بينما يستخدم النبات الهيدروجين لغذائه. قلب هذا المصنع مركب بروتيني يحوي أربع ذرات منغنيز وذرة كالسيوم واحدة. هناك تحديدًا يفقد الماء إلكتروناته ويتحول إلى أكسجين.

عند الكوكب الخارجي TRAPPIST-1، يخسر البناء الضوئي الأكسجيني — العملية التي تتحول فيها الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية مع إطلاق الأكسجين — سباق البقاء. هذا النجم القزم من الفئة الطيفية M يصدر إشعاعًا في الغالب ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء، وليس في الضوء المرئي مثل الشمس.

الأقزام البنية هي أجسام تحتل موقعًا وسيطًا بين الكواكب والنجوم: فهي أضخم من الكواكب، لكنها ليست ثقيلة بما يكفي لإشعال اندماج نووي مستقر في نواتها. باطنها شديد الحرارة بينما طبقاتها العليا باردة نسبيًا، وهذا الفرق في الحرارة يولّد تيارات حمل حراري قوية — أشبه بخلاطات جوية تعمل باستمرار على مزج المادة.

دورة الكربون تشبه تنفس الكوكب. فالغابات والمحيطات تتنفس ثاني أكسيد الكربون، بينما تخرجه الصناعة والحرائق الطبيعية. في عام 2023، أصبح هذا الشهيق متقطعًا وقصيرًا. في محطة ماونا لوا، سجّلت الأجهزة أن تركيز ثاني أكسيد الكربون ارتفع بمقدار 3.37 جزء في المليون خلال عام واحد، أي أسرع بنسبة 86% مقارنة بالعام السابق.