Een Japans onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Tokyo onderzocht de fragiele-naar-sterke overgang van water. In tegenstelling tot de meeste vloeistoffen, als het water is afgekoeld, de snelheid van toename van de viscositeit bereikt een maximum bij een bepaalde lage temperatuur. Het team toonde aan dat het modelleren van water als een temperatuurafhankelijk mengsel van twee toestanden - ongeordend snel water en lokaal geordend langzaam water - de overgang van fragiel naar sterk verklaarde en de foutieve voorspellingen van eerdere theorieën op basis van glazig gedrag vermeed.

Water is in veel opzichten vreemd. Sommige van zijn chemische eigenaardigheden zijn bekend, zoals uitzetten wanneer het bevriest tot ijs. Een minder bekende curiositeit, die het deelt met slechts een paar andere vloeistoffen, is de overgang van fragiel naar sterk. Dit gedrag verklaren, die betrekking heeft op hoe koud water stroomt, lang een bron van discussie geweest. Nutsvoorzieningen, een overtuigende verklaring is naar voren gebracht door onderzoekers in Tokio.

Als vloeistoffen afkoelen, hun dynamiek vertraagt ​​en ze worden stroperig. Voor de meeste vloeistoffen de snelheid van vertraging is constant als functie van de temperatuur en deze staan ​​bekend als sterke vloeistoffen. Voor kwetsbare vloeistoffen, echter, de snelheid neemt voortdurend toe naarmate de temperatuur daalt. Water is in dit opzicht ongebruikelijk:het is kwetsbaar bij kamertemperatuur, maar sterk bij lage temperaturen, waar de snelheid van toenemende viscositeit een piek bereikt.

Deze overgang van fragiel naar sterk is ongrijpbaar, die alleen voorkomen in het onderkoelde regime, onder het gebruikelijke vriespunt van water. Vroege modellen probeerden het te koppelen aan glazige dynamiek, omdat onderkoeld water een glasvormer is. Echter, een team onder leiding van het Institute of Industrial Science (IIS) van de Universiteit van Tokyo stelt een tweestatentheorie voor, in feite modellerend water als een mengsel van twee naast elkaar bestaande vloeistoffen.

wiskundig, het onderscheid sterk/fragiel berust op de wet van Arrhenius voor dynamische processen - sterke vloeistoffen gehoorzamen aan deze wet, maar voor fragiele, de snelle toename van de viscositeit is super-Arrhenius. Zoals gerapporteerd in het journaal PNAS , het IIS-team wijzigde deze visie door te denken dat water uit twee staten bestaat, ‘snel’ en ‘langzaam’ genoemd, " die structureel anders zijn, maar beide gehoorzamen aan de dynamiek van Arrhenius.

"We simuleerden water door middel van moleculaire dynamica en zochten naar structurele patronen, " legt studie co-auteur Rui Shi uit. "H2O-moleculen assembleren altijd tot tetraëders, maar we zagen dat sommige van deze lokale structuren zeer geordend waren, anderen minder." De wanordelijke toestanden komen overeen met snel water, en domineren bij hoge temperatuur, terwijl de goed geordende langzame toestand het overneemt als het monster afkoelt.

Cruciaal, de vergelijkingen afgeleid van het tweestatenmodel voorspellen met succes de fragiele-naar-sterke cross-over. Dit gebeurt ruim boven het glasovergangspunt - glazig gedrag lijkt wat dit probleem betreft een rode haring. Het feit dat snel water Arrhenius heeft, in plaats van de machtswet, dynamics lost ook foutieve voorspellingen op op basis van eerdere pogingen om de kwetsbaarheid van water te koppelen aan bepaalde aspecten van het fasediagram.

"Kwetsbaar water kan een illusie zijn. De schijnbare overgang is een artefact van de temperatuurafhankelijke balans van twee sterke vloeibare toestanden, " zegt hoofdauteur Hajime Tanaka. "De aanwezigheid van twee staten weerspiegelt de neiging van water om lokale structuren te vormen, wat makkelijker is bij lage temperatuur. In feite, andere vloeistoffen met een fragiele naar sterke overgang, zoals silica, toon ook lokale bestellen. Wij stellen voor om dit, in plaats van enig glazig gedrag, is wat hen onderscheidt van echte fragiele vloeistoffen."