Udforsker mysterierne ved underkølet vand

Der er få ting, der er mere centrale for livet på jorden end vand. Det dominerer det fysiske landskab, dækker store dele af planeten som oceaner. Det er også en vigtig komponent i menneskekroppen, omfattende, for eksempel, mere end 70% af massen af ​​en nyfødt baby.

På trods af dens allestedsnærværende, vand har mange fysiske egenskaber, som det videnskabelige samfund stadig ikke helt forstår. En af de mest forvirrende vedrører aktiviteten af ​​vandmolekyler, efter at de har gennemgået en proces kaldet "superkøling".

Nu, nye resultater fra Roma Tre University, i Rom, Italien, om interaktionerne mellem vandmolekyler under disse eksotiske forhold vises i denne uge i Journal of Chemical Physics .

"Normalt, når flydende vand afkøles under frysepunktet, vandmolekylerne arrangerer sig selv i det ordnede, krystalstruktur, der er is, "sagde Paola Gallo, lektor i fysik ved Roma Tre University. "Med superafkøling, særlige teknikker anvendes til at afkøle vand meget hurtigt på en sådan måde, at det forbliver en væske, selvom dets temperatur er blevet sænket et godt stykke under dets frysepunkt. Der er en række anomalier i vandmolekylers aktivitet under disse underkølede forhold, der endnu ikke er fuldstændigt forklaret. "

Ved hjælp af en computerbaseret simulering, Gallo og hendes kolleger kaster lys over en termodynamisk egenskab af vand, der hjælper med at forklare, hvordan vandmolekyler i en superkølet tilstand interagerer med hinanden og med molekylerne i andre materialer.

"Selvom superkøling er et vigtigt fænomen at studere, udfordringen er, at det er meget svært at afkøle vand i et laboratorium, "sagde Gallo.

I fortiden, forskere har forsøgt at løse dette problem ved at afkøle vand "i indespærring, "fokuserer indsatsen på at studere vand, der er begrænset til fremstillede porer med en radius på et par namometre (dvs. en eller to størrelsesordener større end diameteren af ​​vandmolekylet). Dette, imidlertid, har rejst et spørgsmål om, hvorvidt egenskaberne ved dette begrænsede vand adskiller sig fra bulkvandets egenskaber, hvor vandmolekyler frit interagerer i større mængder.

"Dette spørgsmål har været et punkt af løbende interesse for vores arbejde, "sagde Gallo." I tidligere undersøgelser har vi har vist, at interaktioner med andre kemikalier kun påvirker de vandmolekyler, der er meget fysisk tæt på molekylerne i et andet kemikalie, såsom molekylerne, der udgør porens væg. Vandmolekylerne i midten af ​​poren, det gratis vand, bevarer mange af egenskaberne ved bulkvand. "

"Med denne undersøgelse, vi opdagede, at der er flere paralleller, "Sagde Gallo også." Specifikt, vores simulering viser, at en egenskab ved strukturen i netværket af vandmolekyler, som kan måles og verificeres eksperimentelt, kan bruges til at bestemme ændringerne i vandets entropi, den termodynamiske mængde, der måler uorden i et system [...], der kan give indsigt i nogle af de mere usædvanlige termodynamiske facetter af vandets aktivitet i denne superafkølede tilstand. "

Disse fund skaber en ramme for andre eksperimentelle fysikere til at genskabe simuleringen med fysiske prøver i et laboratorium. For Gallo og hendes kolleger, deres arbejde giver et grundlag for yderligere undersøgelse af forholdet mellem de termodynamiske egenskaber ved begrænset vand og bulkvand.

"Vand er den vigtigste væske, vi har på jorden, "forklarede Gallo." Enhver indsigt, som forskere kan afdække om dens egenskaber, kan ikke kun fremme vores kollektive forståelse af fysik, men også af biologi og kemi, og åbne nye muligheder for at integrere denne viden i forskellige teknologiske applikationer. "