Normaal gesproken beschouwen we vloeibaar water als ongeordend, waarbij de moleculen zich op korte tijdschaal herschikken rond een gemiddelde structuur. Nutsvoorzieningen, echter, wetenschappers van de Universiteit van Stockholm hebben twee fasen van de vloeistof ontdekt met grote verschillen in structuur en dichtheid. De resultaten zijn gebaseerd op experimentele studies met röntgenstralen, die nu gepubliceerd zijn in Proceedings van de National Academy of Science (ONS).

De meesten van ons weten dat water essentieel is voor ons bestaan ​​op planeet Aarde. Het is minder bekend dat water veel vreemde of afwijkende eigenschappen heeft en zich heel anders gedraagt ​​dan alle andere vloeistoffen. Enkele voorbeelden zijn het smeltpunt, de dichtheid, de warmtecapaciteit, en al met al zijn er meer dan 70 eigenschappen van water die verschillen van de meeste vloeistoffen. Deze afwijkende eigenschappen van water zijn een voorwaarde voor het leven zoals wij dat kennen.

"De nieuwe opmerkelijke eigenschap is dat we ontdekken dat water kan bestaan ​​als twee verschillende vloeistoffen bij lage temperaturen waar ijskristallisatie traag is", zegt Anders Nilsson, hoogleraar Chemische Fysica aan de Universiteit van Stockholm. De doorbraak in het begrip van water is mogelijk gemaakt door een combinatie van onderzoeken met röntgenstralen in het Argonne National Laboratory in de buurt van Chicago, waar de twee verschillende structuren werden aangetoond en in het grote röntgenlaboratorium DESY in Hamburg waar de dynamiek kon worden onderzocht en aangetoond dat de twee fasen inderdaad beide vloeibare fasen waren. Water kan dus bestaan ​​als twee verschillende vloeistoffen.

"Het is heel spannend om met röntgenstralen de relatieve posities tussen de moleculen op verschillende tijdstippen te kunnen bepalen", zegt Fivos Perakis, postdoc aan de Universiteit van Stockholm met een achtergrond in ultrasnelle optische spectroscopie. "We hebben met name de transformatie van het monster bij lage temperaturen tussen de twee fasen kunnen volgen en hebben aangetoond dat er diffusie is zoals typisch voor vloeistoffen".

Als we aan ijs denken, is het meestal als een geordend, kristallijne fase die je uit de ijsbak haalt, maar de meest voorkomende vorm van ijs in ons planetenstelsel is amorf, dat is wanordelijk, en er zijn twee vormen van amorf ijs met een lage en een hoge dichtheid. De twee vormen kunnen onderling worden omgezet en er zijn speculaties dat ze kunnen worden gerelateerd aan vormen van vloeibaar water met lage en hoge dichtheid. Het experimenteel onderzoeken van deze hypothese was een grote uitdaging die de Stockholm-groep nu heeft overwonnen.

"Ik heb lange tijd amorf ijs bestudeerd met als doel te bepalen of ze kunnen worden beschouwd als een glasachtige toestand die een bevroren vloeistof vertegenwoordigt", zegt Katrin Amann-Winkel, onderzoeker in Chemische Fysica aan de Universiteit van Stockholm. "Het is een droom die uitkomt om zo gedetailleerd te volgen hoe een glazige staat van water verandert in een stroperige vloeistof die bijna onmiddellijk verandert in een andere, nog stroperiger, vloeistof met een veel lagere dichtheid".

"De mogelijkheid om nieuwe ontdekkingen te doen in het water is absoluut fascinerend en een grote inspiratiebron voor mijn verdere studies", zegt Daniël Mariedahl, Promovendus Chemische Fysica aan de Universiteit van Stockholm. "Het is bijzonder opwindend dat de nieuwe informatie door röntgenstralen is geleverd sinds de pionier van röntgenstraling, Wilhelm Conrad Röntgen, zelf speculeerde dat water in twee verschillende vormen kan bestaan ​​en dat het samenspel ertussen aanleiding zou kunnen geven tot zijn vreemde eigenschappen".

"De nieuwe resultaten geven een zeer sterke ondersteuning aan een beeld waar water bij kamertemperatuur niet kan beslissen in welke van de twee vormen het zou moeten zijn, hoge of lage dichtheid, wat resulteert in lokale fluctuaties tussen de twee", zegt Lars G.M. Pettersson, hoogleraar theoretische chemische fysica aan de universiteit van Stockholm. "In een notendop:water is geen ingewikkelde vloeistof, maar twee simpele vloeistoffen met een gecompliceerde relatie."

Deze nieuwe resultaten creëren niet alleen een algemeen begrip van water bij verschillende temperaturen en drukken, maar ook hoe water wordt beïnvloed door zouten en biomoleculen die belangrijk zijn voor het leven. In aanvulling, het toegenomen begrip van water kan leiden tot nieuwe inzichten over het zuiveren en ontzilten van water in de toekomst. Dit zal een van de belangrijkste uitdagingen voor de mensheid zijn met het oog op de wereldwijde klimaatverandering.