Toen Einstein aan zijn doctoraat werkte, hij was een van de eersten die uitlegde hoe deeltjes willekeurige bewegingen in vloeistoffen vertonen. Diffusie is een belangrijk fysiek proces en de Stokes-Einstein-relatie beschrijft hoe deeltjes door een vloeistof diffunderen op basis van de hydrodynamische theorie. Maar op mysterieuze wijze bij lage temperaturen onder de smelttemperatuur, er verandert iets in onderkoelde vloeistoffen en het resulterende zeer viskeuze glasachtige gedrag kan niet langer worden verklaard door de eenvoudige Stokes-Einstein-relatie.

Nutsvoorzieningen, twee onderzoekers van de Osaka University en de Nagoya University hebben onderkoeld water in ongekend detail gesimuleerd om het afwijkende gedrag bij lage temperaturen te verklaren. Ze publiceerden onlangs hun bevindingen in wetenschappelijke vooruitgang .

"De meeste vloeistoffen voldoen aan de Stokes-Einstein-vergelijking over een breed temperatuurbereik, maar sommige onverwachte gedragsveranderingen worden gevonden in onderkoeld water en andere glasachtige materialen, " co-auteur Kang Kim, van de Universiteit van Osaka, zegt. "Uitsplitsing van Stokes-Einstein-gedrag suggereert een soort abnormale moleculaire bewegingen, zelfs in vloeibare toestand, maar het is niet duidelijk wat dat gedrag is."

De eenvoudige Stokes-Einstein-relatie is gebaseerd op argumenten over hoe moleculen willekeurig bewegen op microscopisch niveau. Maar in onderkoeld water, moleculen beginnen onregelmatig te vertragen. De onderzoekers toonden door middel van simulaties aan dat sommige delen van het water meer worden aangetast dan andere, waterstofbruggen heterogeen vormen met gedeeltelijke stolling.

Watermoleculen bewegen door het viskeuze onderkoelde water in sprongen die verband houden met het verbreken van waterstofbruggen. De grillige timing van dit soort bewegingen wordt niet verklaard door de Stokes-Einstein-vergelijking.

Dankzij hun simulaties konden ze onderzoeken hoe het waterstofbindingsnetwerk van onderkoeld water in de loop van de tijd veranderde. Hun modellering toonde duidelijk aan dat een intermitterende timing van het breken van waterstofbruggen bijdroeg aan de afbraak van Stokes-Einstein-gedrag.

"Er zijn interessante fysieke implicaties van deze bevindingen, aangezien de Stokes-Einstein-overtreding wordt beschouwd als een hydrodynamische anomalie van veel glasachtige materiaalsystemen, " zegt Kim. "Onze simulaties helpen om vragen te beantwoorden over wat er gebeurt in puur onderkoeld water en kunnen ook helpen om ander dynamisch gedrag in andere technologisch belangrijke glasachtige materialen te verklaren."