Water, altijd belangrijk, altijd controversieel, altijd fascinerend, blijft verrassend. Voor een stof die alomtegenwoordig is op aarde, driekwart van onze planeet is ermee bedekt, onderzoekers kunnen nog steeds verrast worden door enkele van zijn eigenschappen, volgens de chemicus C. Austen Angell van de Arizona State University.

engel, een Regents Professor in ASU's School of Molecular Sciences, heeft een groot deel van zijn vooraanstaande carrière besteed aan het opsporen van enkele van de meer merkwaardige fysieke eigenschappen van water. In een nieuw onderzoek dat zojuist is gepubliceerd in Wetenschap (9 maart), Angell en collega's van de Universiteit van Amsterdam hebben, Voor de eerste keer, waargenomen een van de meer intrigerende eigenschappen voorspeld door watertheoretici - dat, bij voldoende onderkoeling en onder specifieke omstandigheden zal het plotseling veranderen van de ene vloeistof naar de andere. De nieuwe vloeistof is nog steeds water, maar heeft nu een lagere dichtheid en een andere rangschikking van de waterstofgebonden moleculen met een sterkere binding waardoor het een meer viskeuze vloeistof wordt.

"Het heeft niets te maken met 'poly-water, '" voegt Angell eraan toe en herinnert aan een wetenschappelijk fiasco van vele decennia geleden. Het nieuwe fenomeen is een vloeistof-vloeistof faseovergang, en tot nu toe was het alleen te zien in computersimulaties van watermodellen.

Het probleem met het rechtstreeks observeren van dit fenomeen in echt water is dat, kort voordat de theorie zegt dat het zou moeten gebeuren, het echte water kristalliseert plotseling tot ijs. Dit wordt het "kristallisatiegordijn" genoemd en het heeft decennialang de vooruitgang in het begrijpen van waterfysica en water in de biologie tegengehouden.

"Het domein tussen deze kristallisatietemperatuur en de veel lagere temperatuur waarbij glasachtig water (gevormd door afzetting van watermoleculen uit de damp) tijdens verwarming kristalliseert, staat bekend als een 'niemandsland'. '" zei Angell. "We hebben een manier gevonden om het 'kristallisatiegordijn' net genoeg opzij te trekken om te zien wat er achter gebeurt - of beter gezegd, onder het, ' zei Angell.

Faseovergangen van water zijn belangrijk om te begrijpen voor een groot aantal toepassingen. Bijvoorbeeld, het bekende en destructieve deining van betonnen wegen en voetpaden in de winter is te wijten aan de faseovergang van water naar ijs onder het beton. De faseovergang tussen vloeibare toestanden, beschreven in het huidige werk, heeft veel gemeen met de overgang naar ijs, maar vindt plaats bij een veel lagere temperatuur, ongeveer -90 C (-130 F), en alleen onder supergekoelde omstandigheden, dus het zal waarschijnlijk in de nabije toekomst vooral een wetenschappelijke curiositeit blijven.

Angell legde uit dat een paar jaar geleden hij en zijn onderzoeksmedewerker Zuofeng Zhao, bestudeerden het thermische gedrag van een speciaal type "ideale" waterige oplossing die ze hadden gebruikt om het vouwen en ontvouwen van bolvormige eiwitten te onderzoeken. Ze wilden het vermogen van deze oplossingen om te onderkoelen en vervolgens te verglazen te observeren. Op zoek naar de grens van het glazige domein, ze voegden extra water toe om de kans op ijskristallisatie te vergroten en ontdekten dat in plaats van uiteindelijk warmte te ontwikkelen als ijs gekristalliseerd (waardoor een resterende niet-bevroren oplossing achterblijft), zoals normaal wordt gevonden bij het koelen van zoutoplossingen, het gaf eigenlijk warmte af om een ​​nieuwe vloeibare fase te vormen.

De nieuwe vloeistof was veel stroperiger, misschien zelfs glazig. Verder, door de richting van de temperatuurverandering om te keren, Angell en Zhao ontdekten dat ze de nieuwe fase terug konden transformeren in de oorspronkelijke oplossing voordat er ijs zou gaan kristalliseren.

"Deze observatie, gepubliceerd in Angewandte Chemie, veel belangstelling gewekt, maar er was geen structurele informatie om uit te leggen wat er gebeurde, Dat veranderde toen Angell twee zomers geleden de Universiteit van Amsterdam bezocht, en ontmoette Sander Woutersen, een specialist in infraroodspectroscopie die zeer geïnteresseerd raakte in de structurele aspecten van het fenomeen.

In de Science-paper, het team met Woutersen, zijn student Michiel Hilbers en zijn computationele collega Bernd Ensing hebben nu aangetoond dat de structuren die betrokken zijn bij de vloeistof-vloeistofovergang dezelfde spectroscopische handtekeningen hebben - en dezelfde waterstofbindingspatronen - als te zien zijn in de twee bekende glasachtige vormen van ijs geproduceerd door moeizaam alternatieve processen (amorfe vaste fasen van water met hoge en lage dichtheid).

"De vloeistof-vloeistofovergang die we hadden gevonden, werd nu gezien als de 'levende analoog' van de verandering tussen twee glasachtige toestanden van zuiver water die in 1994 was gemeld, met pure druk als drijvende kracht, ' legde Angell uit.

De resultaten lijken "direct bewijs te leveren voor het bestaan ​​van een vloeistof-vloeistofovergang achter het 'kristallisatiegordijn' in zuiver water, "Woutersen zei, eraan toevoegend dat de bevindingen een algemene verklaring bieden voor de thermodynamische anomalieën van vloeibaar water, en een validatie voor de "tweede kritische punttheorie" die door Gene Stanley's groep naar voren is gebracht om die anomalieën te verklaren.

"Dit gedrag is bijna uniek onder de talloze bekende moleculaire vloeistoffen, Angell voegde eraan toe. "Er wordt gedacht dat slechts een paar andere stoffen het vertonen, maar tot op heden is niets bewezen."