Water heeft veel ongewone eigenschappen, zoals zijn vaste vorm, ijs, in vloeibaar water kunnen drijven, en ze worden nog vreemder onder het vriespunt. Onderkoeld water - onder het vriespunt maar nog steeds een vloeistof - is notoir moeilijk te bestuderen. Sommige onderzoekers dachten dat onderkoeld water zich vreemd gedroeg binnen een bijzonder koud bereik, breken van een vloeistof in een vaste stof, onmiddellijk kristalliserend bij een bepaalde temperatuur als iets uit een Kurt Vonnegut-roman.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben een manier bedacht om snapshots te maken van bevriezend water binnen dat diep onderkoelde bereik. En raad eens? Water is niet zo raar als het zou kunnen zijn. Vloeibaar water kan helemaal naar beneden bestaan, langzamer kristalliseren tot een vaste stof naarmate de dingen kouder worden - zoals verwacht, maar nooit allemaal tegelijk.

Een team van onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy rapporteerde het werk in deze week Proceedings van de National Academy of Sciences Vroege editie online. Hoewel de resultaten de manier waarop u uw ijsthee in de zomer maakt niet veranderen, het kan theoretici helpen hun begrip van water uit te werken en atmosferische wetenschappers helpen regen en wolken beter te begrijpen.

Een rare watertruc

De meeste mensen weten dat ijs drijft op vloeibaar water, maar ze zijn zich er misschien niet van bewust dat water moeite heeft om een ​​glas te vormen. Een glas - zoals een raam - is een vaste stof waarin de moleculen zijn gerangschikt zoals ze in een vloeistof zouden zijn.

Neem een ​​bos sinaasappels. Sinaasappels die losjes in een zak zijn door elkaar gegooid, zijn als een vloeistof - de afzonderlijke moleculen kunnen vrij vrij bewegen. Als je de sinaasappels netjes in een doos verpakt, je vormt een kristal. Als je de zak strak trekt en de door elkaar gegooide sinaasappels tegenhoudt, maar zonder ze netjes te ordenen, je vormt een glas.

Brillen zijn geweldig omdat ze verontreinigingen kunnen bevatten - denk aan een vlieg in barnsteen, of nucleair afval in verglaasd glas - terwijl kristallen verontreinigingen uitstoten - bevriezing van zeewater is een manier om het te ontzilten. Om een ​​glas te maken, onderzoekers smelten zand of een ander bestanddeel tot het vloeibaar is. En dan koelen ze het zo snel af dat het geen kristal kan vormen voordat het stolt.

Maar bevries bulkwater snel en het vormt geen glas. Het wordt snel ijs. Glas worden, vloeibaar water moet binnen microseconden worden afgekoeld tot een temperatuur onder het vriespunt - ongeveer 136 Kelvin (ongeveer minus 215 graden F), een temperatuur die gebruikelijk is in de ruimte, waar sommigen glazig water verwachten.

Het moeilijk te bestuderen bereik ligt iets boven die zogenaamde glasovergangstemperatuur. Wetenschappers weten niet wat er gaande is tussen ongeveer 160 en 235 K. (In het echte leven, dat is tussen de temperatuur op Marsmaan Phobos en Fairbanks, Alaska, in de diepte van de winter.) Aan de bovenkant van dat bereik (dichter bij 235 K, Fairbanks), water bevriest van een onderkoelde vloeistof tot een kristal in milliseconden, wat veel te snel is voor de huidige analytische technieken om te bestuderen.

Wetenschappers kwamen met verschillende ideeën om uit te leggen wat er in die onontgonnen regio aan de hand zou kunnen zijn. Ze vroegen zich af of het water metastabiel zou blijven - vloeibaar maar klaar om in een oogwenk te gaan kristalliseren - helemaal tot temperaturen waarbij het een glas wordt. Of als de vloeistof ergens warmer zou worden, rond 228 K (iets warmer dan de laagterecords op McMurdo Station op Antarctica), op welk punt het spontaan zou kristalliseren vanwege wat natuurkundigen een singulariteit noemen. Ook, er kan iets binnen dat bereik gebeuren dat kan helpen verklaren waarom water moeite heeft met het vormen van een glas.

"Er was een overvloed aan postulaten, maar een gebrek aan gegevens, " zei PNNL chemisch fysicus Bruce Kay.

"Ons doel was om een ​​nieuwe techniek te ontwikkelen om supergekoelde waterfilms op nanoschaal snel te verwarmen en af ​​te koelen. " zei PNNL-natuurkundige Greg Kimmel.

Het mysterie van binnen

Om de gegevens in dat onmeetbare bereik te krijgen, Kimmel en Kay werkten samen met Yuntao Xu, een laserexpert, en anderen bij PNNL en ontwikkelden een manier om water op nanoseconden tijdschalen met een laser te verwarmen en af ​​te koelen. Met behulp van deze methode, de PNNL-wetenschappers maten hoe snel het onderkoelde water in kristallijn ijs werd omgezet naarmate de temperatuur daalde. De kristallisatietijd daalde van nanoseconden bij de hoogste temperaturen tot uren bij 126 K. Op geen enkel moment, vooral bij 228 K, brak het onderkoelde water in een kristal, de mogelijkheid van een singulariteit uitsluiten.

Om de singulariteit vanuit een andere hoek te zoeken, de onderzoekers onderzochten hoe snel de moleculen van onderkoeld water konden bewegen, en hoeveel dat veranderde toen het kouder werd. Als de singulariteit bestond, ze zouden verwachten dat de watermoleculen op een gegeven moment niet meer kunnen bewegen. Van het vriespunt tot het glaspunt, de moleculen bewogen langzamer en langzamer op een complexe maar continue manier. Algemeen, de relatie tussen de temperatuur en hoe snel de moleculen konden bewegen suggereerde geen singulariteit bij 228 K.

"We kunnen de singulariteit waarschijnlijk van tafel halen, " zei Kay van PNNL.

Bij elkaar genomen, de resultaten geven waardevol inzicht in het gedrag van water.

"Bijvoorbeeld, in de atmosferische chemie, onderkoelde waterdruppels worden gevonden in wolken. Er zijn vragen over hoe lang ze aanhouden, " zei Kimmel van PNNL.