Een nieuw soort "faseovergang" in water werd 30 jaar geleden voor het eerst voorgesteld in een onderzoek door onderzoekers van de Boston University. Omdat is voorspeld dat de overgang zal plaatsvinden bij onderkoelde omstandigheden, was het echter een uitdaging om het bestaan ​​​​ervan te bevestigen. Dat komt omdat water bij deze lage temperaturen echt geen vloeistof wil zijn, maar snel ijs wil worden. Vanwege zijn verborgen status is er nog veel onbekend over deze vloeistof-vloeistof faseovergang, in tegenstelling tot de alledaagse voorbeelden van faseovergangen in water tussen een vaste of dampfase en een vloeibare fase.

Dit nieuwe bewijs, gepubliceerd in Nature Physics , vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de bevestiging van het idee van een vloeistof-vloeistoffaseovergang die voor het eerst werd voorgesteld in 1992. Francesco Sciortino, nu een professor aan de Sapienza Università di Roma, was lid van het oorspronkelijke onderzoeksteam aan de Universiteit van Boston en is ook een co -auteur van dit artikel.

Het team heeft computersimulaties gebruikt om uit te leggen welke kenmerken de twee vloeistoffen op microscopisch niveau onderscheiden. Ze ontdekten dat de watermoleculen in de vloeistof met hoge dichtheid arrangementen vormen die als 'topologisch complex' worden beschouwd, zoals een klaverbladknoop (denk aan de moleculen die zo zijn gerangschikt dat ze op een krakeling lijken) of een Hopf-link ( denk aan twee schakels in een stalen ketting). De moleculen in de vloeistof met hoge dichtheid zouden dus verstrengeld zijn.

Daarentegen vormen de moleculen in de vloeistof met lage dichtheid meestal eenvoudige ringen, en daarom zijn de moleculen in de vloeistof met lage dichtheid niet verstrengeld.

Andreas Neophytou, een Ph.D. student aan de Universiteit van Birmingham bij Dr. Dwaipayan Chakrabarti, is hoofdauteur van het papier. Hij zegt:"Dit inzicht heeft ons een compleet nieuwe kijk gegeven op wat nu een 30 jaar oud onderzoeksprobleem is, en hopelijk is dit nog maar het begin."

De onderzoekers gebruikten een colloïdaal model van water in hun simulatie, en vervolgens twee veelgebruikte moleculaire modellen van water. Colloïden zijn deeltjes die duizend keer groter kunnen zijn dan een enkel watermolecuul. Vanwege hun relatief grotere omvang, en dus langzamere bewegingen, worden colloïden gebruikt om fysieke verschijnselen waar te nemen en te begrijpen die ook optreden op de veel kleinere atomaire en moleculaire lengteschalen.

Dr. Chakrabarti, een co-auteur, zegt:"Dit colloïdale model van water biedt een vergrootglas in moleculair water en stelt ons in staat de geheimen van water te ontrafelen met betrekking tot het verhaal van twee vloeistoffen."

Professor Sciortino zegt:"In dit werk stellen we voor het eerst een beeld voor van de vloeistof-vloeistoffase-overgang op basis van ideeën over netwerkverstrengeling. Ik ben er zeker van dat dit werk zal leiden tot nieuwe theoretische modellering op basis van topologische concepten."

Het team verwacht dat het model dat ze hebben bedacht de weg zal effenen voor nieuwe experimenten die de theorie zullen valideren en het concept van "verstrengelde" vloeistoffen zullen uitbreiden naar andere vloeistoffen zoals silicium.

Pablo Debenedetti, een professor in chemische en biologische technologie aan de Princeton University in de VS en een toonaangevende expert op dit gebied van onderzoek, merkt op:"Dit prachtige computationele werk onthult de topologische basis die ten grondslag ligt aan het bestaan ​​van verschillende vloeistoffasen in hetzelfde netwerk -vormende stof.

"Door dit te doen, verrijkt en verdiept het ons begrip van een fenomeen waarvan overvloedig experimenteel en computationeel bewijs steeds meer suggereert dat het centraal staat in de fysica van die belangrijkste vloeistof:water."

Christian Micheletti, een professor aan de International School for Advanced Studies in Triëst, Italië, wiens huidige onderzoeksinteresse ligt in het begrijpen van de impact van verstrengeling, met name knopen en verbindingen, op de statische, kinetiek en functionaliteit van biopolymeren, zegt:"Met deze enkele paper , Neophytou et al. hebben verschillende doorbraken gemaakt die gevolgen zullen hebben op verschillende wetenschappelijke gebieden.

"Ten eerste opent hun elegante en experimenteel ontvankelijke colloïdale model voor water geheel nieuwe perspectieven voor grootschalige studies van vloeistoffen. Daarnaast geven ze zeer sterk bewijs dat faseovergangen die ongrijpbaar zijn voor traditionele analyse van de lokale structuur van vloeistoffen in plaats daarvan gemakkelijk opgepikt door de knopen en schakels in het bindingsnetwerk van de vloeistof te volgen.

"Het idee om naar zulke fijne kneepjes te zoeken in de ietwat abstracte ruimte van paden die langs voorbijgaande moleculaire bindingen lopen, is een zeer krachtig idee en ik verwacht dat het op grote schaal zal worden toegepast om complexe moleculaire systemen te bestuderen."

Sciortino zegt:"Water, de een na de ander, onthult zijn geheimen. Droom hoe mooi het zou zijn als we in de vloeistof zouden kunnen kijken en het dansen van de watermoleculen zouden kunnen observeren, de manier waarop ze flikkeren, en de manier waarop ze partners uitwisselen, herstructureren het waterstofbruggennetwerk. De realisatie van het colloïdale model voor water dat we voorstellen, kan deze droom waarmaken." + Verder verkennen

Nieuwe methode onderzoekt de gas-vloeistof-interface in nieuw detail