Water is een alomtegenwoordige vloeistof met veel zeer unieke eigenschappen. De manier waarop het reageert op veranderingen in druk en temperatuur kan totaal verschillen van andere vloeistoffen, en deze eigenschappen zijn essentieel voor veel praktische toepassingen en in het bijzonder voor het leven zoals wij dat kennen. Wat deze anomalieën veroorzaakt, is al lang een bron van wetenschappelijk onderzoek, maar nu, een internationaal team van onderzoekers, waaronder Nicolas Giovambattista, een professor aan CUNY, heeft bewezen dat water in twee verschillende vloeibare toestanden kan bestaan ​​- een bevinding die veel van de afwijkende eigenschappen van water kan verklaren. Hun onderzoek verschijnt in een paper gepubliceerd in het 20 november nummer van het tijdschrift Wetenschap .

"De mogelijkheid dat water in twee verschillende vloeibare toestanden zou kunnen bestaan, werd ongeveer 30 jaar geleden voorgesteld, op basis van resultaten verkregen uit computersimulaties, " Giovambattista zei. "Deze contra-intuïtieve hypothese is een van de belangrijkste vragen in de chemie en fysica van water geweest, en een controversieel scenario sinds het begin. Dit komt omdat experimenten die toegang hebben tot de twee vloeibare toestanden in water zeer uitdagend zijn geweest vanwege de schijnbaar onvermijdelijke ijsvorming onder de omstandigheden waarin de twee vloeistoffen zouden moeten bestaan."

De gebruikelijke "vloeibare" toestand van water die we allemaal kennen, komt overeen met vloeibaar water bij normale temperaturen (ongeveer 25 graden C). Echter, het papier laat zien dat water bij lage temperaturen (ongeveer -63 graden C) in twee verschillende vloeibare toestanden bestaat, een vloeistof met een lage dichtheid bij lage drukken en een vloeistof met een hoge dichtheid bij hoge drukken. Deze twee vloeistoffen hebben merkbaar verschillende eigenschappen en verschillen 20% in dichtheid. De resultaten impliceren dat onder de juiste omstandigheden, water zou moeten bestaan ​​als twee niet-mengbare vloeistoffen gescheiden door een dun grensvlak vergelijkbaar met het naast elkaar bestaan ​​van olie en water.

Omdat water een van de belangrijkste stoffen op aarde is - het oplosmiddel van het leven zoals we dat kennen - speelt het fasegedrag ervan een fundamentele rol op verschillende gebieden, inclusief biochemie, klimaat, cryopreservatie, cryobiologie, materiaal wetenschap, en in veel industriële processen waar water als oplosmiddel fungeert, Product, reactant, of onzuiverheid. Hieruit volgt dat ongebruikelijke kenmerken in het fasegedrag van water, zoals de aanwezigheid van twee vloeibare toestanden, kan van invloed zijn op tal van wetenschappelijke en technische toepassingen.

"Het blijft een open vraag hoe de aanwezigheid van twee vloeistoffen het gedrag van waterige oplossingen in het algemeen kan beïnvloeden, en vooral, hoe de twee vloeistoffen biomoleculen in waterige omgevingen kunnen beïnvloeden, " Giovambattista zei. "Dit motiveert verdere studies in het zoeken naar mogelijke toepassingen."

Giovambattista is lid van de Ph.D. Physics and Chemistry. programma's bij CUNY.

Het internationale team, onder leiding van Anders Nilsson, hoogleraar chemische fysica aan de Universiteit van Stockholm, gebruikte complexe experimenten en computersimulaties om deze theorie te bewijzen. de experimenten, beschreven als "science-fiction-achtig" door Giovambattista, werden uitgevoerd door collega's van de Universiteit van Stockholm in Zweden, POSTECH-universiteit in Korea, PAL-XFEL in Korea, en SLAC nationaal acceleratorlaboratorium in Californië. De computersimulaties zijn uitgevoerd door Giovambattista en Peter H. Poole, professor aan de St. Francis Xavier University in Canada. De computersimulaties speelden een belangrijke rol bij de interpretatie van de experimenten, aangezien deze experimenten extreem complex zijn en sommige waarneembare objecten tijdens de experimenten niet toegankelijk zijn.