Er zijn maar weinig dingen die meer centraal staan ​​in het leven op aarde dan water. Het domineert het fysieke landschap, die een groot deel van de planeet als oceanen bedekken. Het is ook een belangrijk onderdeel van het menselijk lichaam, bestaande uit, bijvoorbeeld, meer dan 70% van de massa van een pasgeboren baby.

Maar ondanks zijn alomtegenwoordigheid, water heeft veel fysieke eigenschappen die nog steeds niet volledig worden begrepen door de wetenschappelijke gemeenschap. Een van de meest raadselachtige heeft betrekking op de activiteit van watermoleculen nadat ze een proces hebben ondergaan dat 'onderkoeling' wordt genoemd.

Nutsvoorzieningen, nieuwe bevindingen van de Roma Tre University, in Rome, Italië, over de interacties van watermoleculen onder deze exotische omstandigheden verschijnen deze week in de Tijdschrift voor Chemische Fysica .

"Normaal gesproken, wanneer vloeibaar water wordt afgekoeld tot onder het vriespunt, de watermoleculen rangschikken zich in de geordende, kristalstructuur die ijs is, " zei Paola Gallo, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Roma Tre University. "Met onderkoeling, Er worden speciale technieken gebruikt om water zeer snel af te koelen, zodat het vloeibaar blijft, ook al is de temperatuur ver onder het vriespunt gedaald. Er zijn een aantal anomalieën in de activiteit van watermoleculen in deze onderkoelde omstandigheden die nog niet volledig zijn verklaard."

Met behulp van een computergebaseerde simulatie, Gallo en haar collega's werpen licht op een thermodynamische eigenschap van water die helpt verklaren hoe watermoleculen in onderkoelde toestand met elkaar en met de moleculen van andere materialen interageren.

"Hoewel onderkoeling een belangrijk fenomeen is om te bestuderen, de uitdaging is dat het erg moeilijk is om water in een laboratorium te superkoelen, ' zei Gallo.

Vroeger, wetenschappers hebben geprobeerd dit probleem aan te pakken door water te onderkoelen "in opsluiting, " focussen op het bestuderen van water dat is opgesloten in gefabriceerde poriën met een straal van een paar namenmeters (d.w.z. een of twee orden van grootte groter dan de diameter van het watermolecuul). Dit, echter, heeft de vraag gerezen of de eigenschappen van dit beschutte water verschillen van die van bulkwater, waar watermoleculen vrij in grotere volumes interageren.

"Deze vraag is een punt van voortdurende interesse in ons werk, " zei Gallo. "In eerdere studies, we hebben aangetoond dat interacties met andere chemicaliën alleen die watermoleculen beïnvloeden die fysiek heel dicht bij de moleculen van een andere chemische stof liggen, zoals de moleculen die de wand van de porie vormen. De watermoleculen in het midden van de porie, het gratis water, behouden veel van de eigenschappen van bulkwater."

"Met dit onderzoek ontdekten we dat er nog meer parallellen zijn, " zei Gallo ook. "Specifiek, onze simulatie laat zien dat een eigenschap van de structuur van het netwerk van watermoleculen, die experimenteel kan worden gemeten en geverifieerd, kan worden gebruikt om de veranderingen in de entropie van water te bepalen, de thermodynamische grootheid die wanorde in een systeem meet [...] die inzicht kan bieden in enkele van de meer ongebruikelijke thermodynamische facetten van de activiteit van water in deze onderkoelde toestand."

Deze bevindingen creëren een raamwerk voor andere experimentele natuurkundigen om de simulatie na te bootsen met fysieke monsters in een laboratorium. Voor Gallo en haar collega's, hun werk biedt een basis voor verder onderzoek naar de relaties tussen de thermodynamische eigenschappen van opgesloten en bulkwater.

"Water is de belangrijkste vloeistof die we op aarde hebben, ", legt Gallo uit. "Alle inzichten die onderzoekers kunnen ontdekken over de eigenschappen ervan kunnen niet alleen ons collectieve begrip van natuurkunde bevorderen, maar ook van biologie en scheikunde, en nieuwe mogelijkheden openen om deze kennis te integreren in verschillende technologische toepassingen."