Vand findes som to forskellige væsker

Vi betragter normalt flydende vand som uordentligt med molekylerne omarrangeret på en kort tidsskala omkring en gennemsnitlig struktur. Nu, imidlertid, forskere ved Stockholms universitet har opdaget to faser af væsken med store forskelle i struktur og densitet. Resultaterne er baseret på eksperimentelle undersøgelser ved hjælp af røntgenstråler, som nu udgives i Procedurer fra National Academy of Science (OS).

De fleste af os ved, at vand er afgørende for vores eksistens på planeten Jorden. Det er mindre velkendt, at vand har mange mærkelige eller unormale egenskaber og opfører sig meget anderledes end alle andre væsker. Nogle eksempler er smeltepunktet, tætheden, varmekapaciteten, og alt i alt er der mere end 70 egenskaber ved vand, der adskiller sig fra de fleste væsker. Disse anormale egenskaber ved vand er en forudsætning for livet, som vi kender det.

"Den nye bemærkelsesværdige egenskab er, at vi finder ud af, at vand kan eksistere som to forskellige væsker ved lave temperaturer, hvor iskrystallisation er langsom", siger Anders Nilsson, professor i kemisk fysik ved Stockholms universitet. Gennembruddet i forståelsen af ​​vand har været muligt gennem en kombination af undersøgelser ved hjælp af røntgenstråler på Argonne National Laboratory nær Chicago, hvor de to forskellige strukturer blev påvist og på det store røntgenlaboratorium DESY i Hamburg, hvor dynamikken kunne undersøges og demonstrerede, at de to faser faktisk begge var flydende faser. Vand kan således eksistere som to forskellige væsker.

"Det er meget spændende at kunne bruge røntgenstråler til at bestemme de relative positioner mellem molekylerne på forskellige tidspunkter", siger Fivos Perakis, postdoc ved Stockholms universitet med baggrund i ultrahurtig optisk spektroskopi. "Vi har især kunnet følge transformationen af ​​prøven ved lave temperaturer mellem de to faser og demonstreret, at der er diffusion, som er typisk for væsker".

Når vi tænker på is, er det oftest som bestilt, krystallinsk fase, som du kommer ud af isboksen, men den mest almindelige form for is i vores planetsystem er amorf, der er uorden, og der er to former for amorf is med lav og høj densitet. De to former kan interkonvertere, og der har været spekulationer om, at de kan relateres til lav- og højdensitetsformer af flydende vand. At eksperimentelt undersøge denne hypotese har været en stor udfordring, som Stockholm -gruppen nu har overvundet.

"Jeg har studeret amorfe is i lang tid med det formål at afgøre, om de kan betragtes som en glasagtig tilstand, der repræsenterer en frossen væske", siger Katrin Amann-Winkel, forsker i kemisk fysik ved Stockholms universitet. "Det er en drøm, der går i opfyldelse at følge så detaljeret, hvordan en glasagtig vandtilstand omdannes til en tyktflydende væske, der næsten øjeblikkeligt omdannes til en anden, endnu mere tyktflydende, væske med meget lavere densitet ".

"Muligheden for at gøre nye opdagelser i vand er fuldstændig fascinerende og en stor inspiration til mine videre studier", siger Daniel Mariedahl, Ph.d. -studerende i kemisk fysik ved Stockholms universitet. "Det er især spændende, at de nye oplysninger er blevet leveret af røntgenstråler siden pioner inden for røntgenstråling, Wilhelm Conrad Röntgen, selv spekulerede i, at vand kan eksistere i to forskellige former, og at samspillet mellem dem kunne give anledning til dets mærkelige egenskaber ".

"De nye resultater giver meget stærk støtte til et billede, hvor vand ved stuetemperatur ikke kan afgøre, i hvilken af ​​de to former det skal være, høj eller lav densitet, hvilket resulterer i lokale udsving mellem de to ", siger Lars G.M. Pettersson, professor i teoretisk kemisk fysik ved Stockholms universitet. "I en nøddeskal:Vand er ikke en kompliceret væske, men to enkle væsker med et kompliceret forhold. "

Disse nye resultater skaber ikke kun en samlet forståelse af vand ved forskellige temperaturer og tryk, men også hvordan vand påvirkes af salte og biomolekyler, der er vigtige for livet. Ud over, den øgede forståelse af vand kan føre til ny indsigt i, hvordan man renser og afsalt vand i fremtiden. Dette vil være en af ​​de største udfordringer for menneskeheden i lyset af de globale klimaændringer.