Onderkoeld water is eigenlijk twee vloeistoffen in één. Dat is de conclusie van een onderzoeksteam van het Pacific Northwest National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy na de allereerste metingen van vloeibaar water bij temperaturen die veel kouder zijn dan het typische vriespunt.

de bevinding, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , levert lang gezochte experimentele gegevens om een ​​deel van het bizarre gedrag te verklaren dat water vertoont bij extreem lage temperaturen in de ruimte en in de verre uithoeken van de eigen atmosfeer van de aarde. Tot nu, vloeibaar water bij de meest extreem mogelijke temperaturen is het onderwerp geweest van concurrerende theorieën en vermoedens. Sommige wetenschappers hebben gevraagd of het zelfs mogelijk is dat water echt als een vloeistof bestaat bij temperaturen zo laag als -117,7 F (190 K) of dat het vreemde gedrag gewoon water is dat zich herschikt op zijn onvermijdelijke pad naar een vaste stof.

Het argument is belangrijk omdat het begrijpen van water, die 71 procent van het aardoppervlak beslaat, is van cruciaal belang om te begrijpen hoe het onze omgeving reguleert, ons lichaam en het leven zelf.

"We hebben aangetoond dat vloeibaar water bij extreem lage temperaturen niet alleen relatief stabiel is, het bestaat in twee structurele motieven, " zei Greg Kimmel, een chemisch fysicus bij PNNL. "De bevindingen verklaren een langdurige controverse over de vraag of diep onderkoeld water altijd kristalliseert voordat het kan equilibreren. Het antwoord is:nee."

Onderkoeld water:een verhaal over twee vloeistoffen

Je zou denken dat we water inmiddels wel begrijpen. Het is een van de meest voorkomende en meest bestudeerde stoffen op aarde. Maar ondanks zijn schijnbare eenvoud - twee atomen waterstof en één atoom zuurstof per molecuul - H ₂ O is bedrieglijk ingewikkeld.

Het is verrassend moeilijk voor water om net onder het smeltpunt te bevriezen:water is bestand tegen bevriezing tenzij het iets heeft om het op gang te brengen, zoals stof of een andere vaste stof om je aan vast te klampen. Op zuiver water, er is een energetisch duwtje voor nodig om de moleculen in de speciale opstelling te duwen die nodig is om te bevriezen. En het zet uit als het vriest, wat vreemd gedrag is in vergelijking met andere vloeistoffen. Maar die gekheid is wat het leven op aarde in stand houdt. Als ijsblokjes zonken of waterdamp in de atmosfeer geen warmte vasthield, leven op aarde zoals we dat kennen, zou niet bestaan.

Het vreemde gedrag van water houdt de scheikundigen Bruce Kay en Greg Kimmel al meer dan 25 jaar bezig. Nutsvoorzieningen, zij en postdoctorale wetenschappers Loni Kringle en Wyatt Thornley hebben een mijlpaal bereikt waarvan ze hopen dat het ons begrip zal vergroten van de verdraaiingen die vloeibare watermoleculen kunnen veroorzaken.

Er zijn verschillende modellen voorgesteld om de ongebruikelijke eigenschappen van water te verklaren. De nieuwe gegevens die zijn verkregen met behulp van een soort stop-motion "snapshot" van onderkoeld water, laten zien dat het kan condenseren tot een hoge dichtheid, vloeistofachtige structuur. Deze vorm met een hogere dichtheid bestaat naast een structuur met een lagere dichtheid die meer in overeenstemming is met de typische binding die voor water wordt verwacht. Het aandeel vloeistof met hoge dichtheid neemt snel af naarmate de temperatuur van -18,7 F (245 K) naar -117,7 F (190 K) gaat, ondersteunende voorspellingen van "mengsel" -modellen voor onderkoeld water.

Kringle en Thornley gebruikten infraroodspectroscopie om de watermoleculen te bespioneren die vastzaten in een soort stop-motion toen een dunne laag ijs met een laser werd gezapt. het creëren van een onderkoeld vloeibaar water voor een paar vluchtige nanoseconden.

"Een belangrijke observatie is dat alle structurele veranderingen omkeerbaar en reproduceerbaar waren, " zei Kringle, die veel van de experimenten heeft uitgevoerd.

Graupel:het is onderkoeld water!

Dit onderzoek kan graupel helpen verklaren, de pluizige korrels die soms vallen tijdens koude stormen. Graupel ontstaat wanneer een sneeuwvlok in wisselwerking staat met onderkoeld vloeibaar water in de bovenste atmosfeer.

"Vloeibaar water in de bovenste atmosfeer wordt diep gekoeld, " zegt Kay, een PNNL-lab fellow en expert in de fysica van water. "Wanneer het een sneeuwvlok tegenkomt, bevriest het snel en dan in de juiste omstandigheden, naar de aarde valt. Het is echt de enige keer dat de meeste mensen de effecten van onderkoeld water zullen ervaren."

Deze studies kunnen ook helpen begrijpen hoe vloeibaar water kan bestaan ​​op zeer koude planeten - Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus - in ons zonnestelsel, en verder. Onderkoelde waterdamp creëert ook de prachtige staarten die achter kometen volgen.

Watermolecuul gymnastiek

Hier op aarde, een beter begrip van de verdraaiingen die water kan veroorzaken wanneer het in een krappe situatie wordt geplaatst, zoals een enkel watermolecuul ingeklemd in een eiwit, zou wetenschappers kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe medicijnen.

"Er is niet veel ruimte voor de watermoleculen die individuele eiwitten omringen, " zei Kringle. "Dit onderzoek zou licht kunnen werpen op hoe vloeibaar water zich gedraagt ​​in dicht opeengepakte omgevingen."

Thornley merkte op dat "in toekomstige studies, we kunnen deze nieuwe techniek gebruiken om de moleculaire herschikkingen te volgen die ten grondslag liggen aan een breed scala aan chemische reacties."

Er valt nog veel te leren, en deze metingen zullen de weg banen naar een beter begrip van de meest voorkomende levengevende vloeistof op aarde.