Onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokio hebben experimentele gegevens doorzocht om de mogelijkheid te onderzoeken dat onderkoeld water een vloeistof-naar-vloeistof faseovergang heeft tussen ongeordende en tetraëdrisch gestructureerde vormen. Ze vonden bewijs van een kritiek punt gebaseerd op de coöperatieve vorming van tetraëders, en zijn ondergeschikte rol in de anomalieën van het water laten zien. Dit werk laat zien dat de bijzondere eigenschappen van water - die essentieel zijn voor het leven - voornamelijk voortkomen uit het tweestatenkenmerk.

Vloeibaar water is onmisbaar voor het leven zoals we dat kennen, toch komen veel van zijn eigenschappen niet overeen met de manier waarop andere vloeistoffen zich gedragen. Sommige van deze afwijkingen, zoals de maximale dichtheid van water bij 4°C en de grote warmtecapaciteit, belangrijke gevolgen hebben voor levende organismen. De oorsprong van deze kenmerken heeft geleid tot felle discussies in de wetenschappelijke gemeenschap sinds de tijd van Röntgen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Tokio hebben een tweestatenmodel gebruikt dat de dynamische coëxistentie van twee soorten moleculaire structuren in vloeibaar water poneert. Dit zijn de bekende ongeordende normaal-vloeistofstructuur en een plaatselijk favoriete tetraëdrische structuur. Zoals bij veel andere faseovergangen, er kan een "kritiek punt" zijn waarop de correlatie tussen tetraëders een machtswetvorm aanneemt, wat betekent dat er geen "typische" lengteschaal meer zal zijn.

Met behulp van computersimulaties van watermoleculen, samen met een uitgebreide analyse van experimentele structurele, thermodynamisch, en dynamische gegevens, waaronder röntgenverstrooiing, dichtheid, samendrukbaarheid, en viscositeitsmetingen - de onderzoekers konden bepalen waar een kritiek punt zou moeten zijn, als het bestaat.

"Als de vorming van tetraëdrische structuren in vloeibaar water onder deze omstandigheden coöperatief is, dan is een vloeistof-vloeistof faseovergang met een kritisch punt mogelijk, " zegt hoofdauteur Rui Shi.

Het team toonde aan dat dit gebeurt rond een temperatuur van -90°C en een druk van ongeveer 1, 700 atmosfeer. Experimenten in dit bereik zijn buitengewoon moeilijk:omdat het water zo ver onder het normale vriespunt is, ijskristallen kunnen zich snel vormen. Echter, monsters kunnen bij deze zeer hoge drukken vloeibaar blijven in een metastabiele "onderkoelde" toestand.

"We zagen bewijs dat het kritieke punt echt is, maar het effect ervan is bijna te verwaarlozen in het experimenteel toegankelijke gebied van vloeibaar water omdat het te ver van het kritieke punt verwijderd is. Dit betekent dat de anomalieën van water afkomstig zijn van het tweestatenkenmerk en niet van kriticiteit, " zegt senior auteur Hajime Tanaka. De wetenschappers verwachten dat dit project zal leiden tot de convergentie van het lange debat over de oorsprong van de anomalieën van water en meer experimenteel onderzoek om toegang te krijgen tot het tweede kritieke punt van water.