In de sciencefictionklassieker van Kurt Vonnegut Kattenwieg , ice-nine is een stof die het smeltpunt van water kan verhogen van 32 tot 114,4 graden Fahrenheit. Eenmaal in contact met water, het verspreidt zich onmiddellijk en voor onbepaalde tijd, bevroren oceanen en huiveringwekkende gevolgen achterlatend. Gelukkig, zoals Vonnegut uitlegt in het opschrift, 'Niets in dit boek is waar.' Toen hij de roman in 1963 schreef, hij had misschien gelijk.

Onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh hebben het fantastische gedrag ontdekt van een vloeibaar polymeer dat water bij kamertemperatuur kan bevriezen. Behalve geloof te hechten aan de profetische verbeelding van Vonnegut, het resulterende mengsel tart schijnbaar de tweede wet van de thermodynamica, waarin staat dat binnen een geïsoleerd systeem, entropie neemt altijd toe.

"Als je twee pure componenten met elkaar mengt, de entropie (of de mate van wanorde), neemt altijd toe, " legt John Keith uit, assistent-professor chemische technologie en Richard King Mellon Faculty Fellow in Energy aan Pitt's Swanson School of Engineering. "Die stoornis zorgt er bijna altijd voor dat mengsels een lager vriespunt dan elk van de componenten afzonderlijk, niet hoger."

Het mengsel van zout en water, bijvoorbeeld, bevriest bij lagere temperaturen dan zout of water afzonderlijk. Deze kwaliteit maakt zout zeer geschikt voor het smelten van ijs op wegen en trottoirs in de winter. Echter, wanneer een bepaald polymeer - bekend als polyoxacyclobutaan (POCB) - wordt gemengd met water, het verhoogt het vriespunt van het mengsel van 32 graden Fahrenheit tot ongeveer 100 graden Fahrenheit. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift American Chemical Society (ACS). macromoleculen .

Dit gedrag is niet helemaal ongekend. Door bepaalde metalen in specifieke verhoudingen te mengen, kunnen legeringen ontstaan ​​die een hoger smeltpunt hebben dan de afzonderlijke metalen. Omdat legeringen bestaan ​​uit ten minste twee atomen van verschillende grootte, gunstige combinaties van atomen kunnen samen weven om sterke chemische bindingen te maken die de tweede wet van de thermodynamica tegengaan.

"Dit gedrag, waarin het mengsel hoger smelt dan de componenten, is bekend in metalen. Maar het is heel ongebruikelijk, onder niet-metalen, " zegt Sachin Velankar, universitair hoofddocent chemische technologie bij Pitt en expert in polymeerwetenschap. "Zover ik weet, POCB lijkt de enige stof te zijn die dit gedrag met water vertoont."

POCB kwam oorspronkelijk van de chemische fabrikant DuPont naar de universiteit als onderdeel van een onderzoekssamenwerking tussen het bedrijf en Robert Enick, vice-voorzitter onderzoek voor de afdeling chemische technologie. Een afgestudeerde student die in het laboratorium van Dr. Enick werkte, merkte op dat het vloeibare polymeer troebel werd als het werd gemengd met waterdruppels. maar meer merkwaardig, de resulterende combinatie - of "hydraat" - was een zachte pasta (vergelijkbaar met pindakaas) wanneer een precieze hoeveelheid water werd toegevoegd. Nog vreemder, experimenten met het materiaal toonden aan dat zich goed geordende kristallieten vormden tussen twee vloeistoffen.

Dr. Keith en collega's gebruikten computermodellering om een ​​stabiele hydraatstructuur te vinden waarbij watermoleculen zich door het polymeer rijgen om waterstofbruggen te vormen die het materiaal bij elkaar houden als kleine ritsen. "Het duurt minder dan een uur voordat het mengsel bij kamertemperatuur zelf is samengesteld, en de uiteindelijke textuur is als lippenbalsem, ' zegt dokter Keith.

De Pitt-onderzoekers doorzochten wetenschappelijke tijdschriften om wetenschappelijke verwijzingen te vinden naar hydraten van POCB, die eind jaren 2000 door DuPont werd geproduceerd met de naam "Cerenol" omdat het gemaakt is van maïs (een "graan" korrel). In eerste instantie liep hun zoektocht te kort, maar een gesprek met Eric Beckman, Distinguished Service Professor van chemische technologie en co-directeur van Pitt's Mascaro Centre for Sustainable Innovation, tipte ze naar andere namen die het polymeer in het verleden zou kunnen hebben genoemd. Kort daarna, de Pitt-onderzoekers ontdekten dat de hydraatstructuur al eind jaren zestig was ontdekt door een team van Japanse onderzoekers.

"Het polymeer heeft vier of vijf namen, en sommige zijn niet intuïtief, " zegt Dr. Velankar. "Nadat we de eerdere onderzoeken hadden gevonden, we realiseerden ons dat we ons realiseerden dat we een opwindend facet van een oude vondst hadden ontdekt."

Het Japanse team, het gebruik van soortgelijke röntgentechnieken als die welke zijn geïnterpreteerd door Watson en Crick om de dubbele helix in DNA te identificeren, had vergelijkbare hydraatstructuren gevonden door vormen van het polymeer met een hoog molecuulgewicht die bij kamertemperatuur vast waren, te smelten. die studie, die ook verscheen in ACS-macromoleculen in 1970, is relatief onopgemerkt gebleven in de vijf decennia sinds de publicatie ervan. De innovatie van de Pitt-onderzoekers is dat soortgelijke hydraten zich spontaan kunnen vormen met vormen met een lager molecuulgewicht van het polymeer die vloeibaar zijn bij kamertemperatuur, waardoor het niet meer nodig is om te smelten voordat het met water wordt gemengd.

"Het polymeer kan ook op een natuurlijke manier vocht uit de lucht zuigen, " zegt Dr. Velankar. "We voelden dat dit gedrag een curiositeit was, maar wel een heel interessante. Ons onderzoek was meestal een fundamentele verkenning van een zeer ongebruikelijk fenomeen, maar er zijn veel potentiële toepassingen om te overwegen."

De onderzoekers van Pitt Engineering hebben al samengewerkt met Alexander Star in Pitt's Department of Chemistry om een ​​nanobuis-elektrode met het polymeer te coaten om er een computergeheugenapparaat van te maken. Het ACS-tijdschrift Chemie van materialen de resultaten van het onderzoek gepubliceerd.

Een van de mogelijke toepassingen zal zeker geen doemscenario zijn zoals de ijs-negen van Vonnegut, omdat POCB zich niet onmiddellijk of voor onbepaalde tijd door waterbronnen kan verspreiden. In plaats van de apocalyps in gang te zetten, onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh denken dat het ontdekken van het bevriezingsgedrag van dit polymeer nieuwe innovaties zou kunnen inluiden.

"Nu we een voorbeeld kennen van een polymeer-watermengsel met deze eigenschappen, we kunnen nu zoeken naar andere mengsels die mogelijk andere interessante eigenschappen hebben, " zegt Dr. Keith. "Ik ben erg optimistisch dat dit een opwindende nieuwe klasse van kristallijne materialen is die zich spontaan vormen uit mengsels van vloeistoffen."