Drink in deze factoid:water is de vreemdste vloeistof van allemaal.

De meeste vloeistoffen hebben voorspelbaar en vergelijkbaar gedrag. Maar in tegenstelling tot andere vloeistoffen, water is het meest dicht als een vloeistof, geen vaste stof. Het waterleven overleeft de winter omdat ijs drijft in plaats van te zinken en uit te breiden tot één enorme stevige gletsjer. De unieke maar vreemde eigenschappen van water helpen het leven te ondersteunen.

Al decenia, wetenschappers hebben geprobeerd uit te zoeken wat er aan de hand is met het vreemde gedrag van water. De antwoorden lijken te liggen in een lang verborgen venster van extreme temperaturen.

in 2020, wetenschappers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) maakten een enorme sprong in het begrijpen van het fenomeen. Gedetailleerd in het journaal Wetenschap , het team gebruikte een baanbrekende laserverwarmingstechniek die voor het eerst de veranderingen op nanoschaal onthulde die onderkoeld vloeibaar water ondergaat tussen -117,7 graden Fahrenheit (190 K) en -18,7 graden Fahrenheit (245 K).

De techniek trok het gordijn terug van dit voorheen gehulde temperatuurvenster waar de vreemde en subtiele structurele veranderingen van water plaatsvinden. PNNL chemisch fysicus Greg Kimmel beschreef deze onontgonnen uitgestrektheid als "het hele balspel in het begrijpen van de structuur van water."

Dat balspel maakt deel uit van het programma Condensed Phase and Interfacial Molecular Sciences, gesponsord door het Office of Basic Energy Science van het Amerikaanse Department of Energy. Het programma financiert onderzoek om de fundamentele natuurkunde en scheikunde te begrijpen van systemen die verre van evenwicht zijn, en hoe ze in evenwicht komen. In dit geval, dat systeem is vloeistoffen, in het bijzonder water.

"Water is een van de belangrijkste oplosmiddelen die we hebben, " zei Kimmel. "We proberen beter te begrijpen hoe water zich gedraagt ​​op grensvlakken, in opsluiting en in oplossingen, hoe het condenseert en kristalliseert, enzovoort."

De gevolgen zijn verstrekkend, variërend van biologische en fysische processen die verband houden met klimaatverandering, naar betere chemie voor energie en nucleaire verwerking, tot nieuwe geneesmiddelen voor de bestrijding van ziekten.

Onderzoekers op al deze gebieden zullen binnenkort ellebogen wrijven bij PNNL's Energy Sciences Center, gepland voor eind 2021. De nieuwe 140, 000 vierkante meter zal plaats bieden aan maximaal 250 theoretici, experimentatoren, bezoekende wetenschappers, en ondersteunend personeel, om nog maar te zwijgen van de nieuwste wetenschappelijke instrumenten. Kimmel en zijn collega's kijken ernaar uit om in de samenwerkingsomgeving te werken terwijl ze lasergericht blijven op onderkoeld water.

Een kwestie van evenwicht – of niet

"Als je de temperatuur verlaagt, de meeste vloeibare moleculen pakken zeer strak samen en zijn zeer dicht. Maar onder de 39 graden Fahrenheit, water is precies het tegenovergestelde, " legde Loni Kringle uit, die als postdoctoraal onderzoeker met het team van Kimmel werkte aan de studies over onderkoeld water. "Watermoleculen vormen tetraëdrische bindingen die veel ruimte innemen. Als water afkoelt, het zet uit en neemt af in dichtheid." Denk aan ijsblokjes die uit hun bak komen.

Wetenschappers begrijpen dit grote geheel heel goed, maar hoe gebeurt het in detail? Niet zo veel.

Water dat in vloeibare vorm ver onder het normale vriespunt blijft - onderkoeld water genoemd - is verre van echt evenwicht, de meest stabiele toestand. Als de structuur niet verandert, het water is in een zogenaamde metastabiele toestand. De experimenten van Kimmel en team maten de snelheid waarmee onderkoeld water ontspant van zijn beginconfiguratie tot "metastabiel evenwicht" voordat het kristalliseert.

"Of je wilt dat je materiaal evenwicht bereikt of niet, hangt af van welke eigenschappen je wilt dat het heeft, " legde Kimmel uit, met als voorbeeld radioactief afval. "Als je radioactieve kernen wilt vangen en vasthouden, je een glas wilt behouden, geen kristallijn materiaal, die korrels kan laten groeien en onzuiverheden van het oppervlak kan verdrijven. Dat zou een probleem zijn."

Van boerenafval tot onderkoeld water

Kimmel kwam in 1992 bij PNNL om de reacties te bestuderen die verantwoordelijk zijn voor de opbouw en plotselinge afgifte van waterstofgas uit nucleair afval dat is opgeslagen in ondergrondse tanks op de Hanford-site van DOE. Hij simuleerde het "boeren"-proces door elektronen op dunne waterfilms te schieten.

Zijn werk sloot goed aan bij het onderzoek van collega-PNNL-wetenschapper Bruce Kay naar de structuur en kinetiek van films op grensvlakken, kijken naar hoe water desorbeert en energie vrijgeeft bij verschillende temperaturen. De twee wetenschappers kwamen op het idee om laserverwarming te proberen om de snelheid te meten waarmee water kristalliseert en diffundeert.

Er waren theorieën over omkeerbare structurele transformaties voordat water kristalliseerde, bij temperaturen boven -171 graden Fahrenheit (160 K) en onder -36 graden Fahrenheit (235 K) - maar er was geen bewijs. Eerdere experimenten sprongen over de spanwijdte heen.

"Dat temperatuurbereik is erg moeilijk te bereiken en experimenteel te beheersen, en dat is wat de pulserende verwarmingstechniek overwon, " legde Kringle uit. Ze werkte samen met een andere postdoctoraal onderzoeker, Wyatt Thornley, om de experimenten uit te voeren en de gegevens te helpen analyseren.

Het vervolgonderzoek van het team, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences in april, onderzocht "de kern van de kinetiek - hoe waterfilms ontspannen in twee structurele motieven, " zei Kringle. "We hebben gekeken naar de details van de structurele veranderingen, verder gaan dan kwalitatieve waarnemingen door de verschillen te berekenen bij het starten van hoge versus lage temperaturen, vervolgens de resultaten vergelijken met modellen in de literatuur."

Nieuwe onderzoeksrichtingen

In de toekomst, het team is van plan om samen te werken met professor Valeria Molinero van de Universiteit van Utah om een ​​beter begrip te krijgen van de kinetiek en dynamiek die optreden tijdens de experimenten met gepulseerde verwarming. Molinero is een expert op het gebied van moleculaire dynamische simulaties van waterige systemen.

Dergelijke samenwerkingen belichamen de visie achter het Energy Sciences Center. De onderzoekers denken al na over de verschillende richtingen die de nieuwe locatie en hun gepulseerde verwarmingstechniek hen kunnen nemen - en anderen.

Een idee is om de temperatuur van hun experiment te veranderen voordat water de metastabiele evenwichtstoestand bereikt. Deze aanpassing zou hen in staat stellen te bestuderen hoe water "herinnert" en "leeftijden, " zoals te zien is in onderzoek naar onderkoeld glas.

Een andere studierichting is het onderzoeken van "zwaar water" dat deuterium bevat, een natuurlijk voorkomende isotoop van waterstof. Deuterium bevat een extra neutron dat het zwaarder maakt dan een standaard waterstofatoom. Door de interacties op kwantumschaal die optreden in zwaar water te vergelijken met gewoon water, zullen wetenschappers meer duidelijkheid krijgen over het vreemde gedrag van water in vergelijking met andere vloeistoffen.

En omdat gepulseerde laserverwarming zich leent voor snelle reacties, andere onderzoekers hebben belangstelling getoond voor het gebruik van de techniek voor scheikundestudies.

In de tussentijd, Kringle heeft haar eigen plannen.

"De tijdschalen van onze techniek waren een beperking bij het kijken naar zuiver water. Ik deed een snel verkennend experiment en ontdekte dat als we andere moleculen aan het water toevoegen, zoals koolmonoxide, we kunnen de temperatuur verschuiven waar de structurele overgang plaatsvindt, "zei Kringle. "Ik zou graag willen volgen en zien wat er aan het einde van de overgang gebeurt. Dit geeft informatie over de oplosbaarheid van de andere moleculen die we toevoegen."

Kringle, die ook gepassioneerd is door STEM-onderwijs en outreach, is nu een vaste stafwetenschapper, toetreden tot Kimmel en Kay in de Physical Sciences Division van PNNL, onder leiding van Wendy Shaw.

"Loni is een geweldig voorbeeld van de volgende generatie wetenschappers en ingenieurs die het stokje van wetenschappelijke ontdekkingen in de toekomst zullen dragen, niet alleen bij PNNL en het nieuwe Energy Science Center, maar bij onderzoeksinstellingen in het hele land, " zei Sjaa.