Løsning på mystisk adfærd af superkølet vand

Da Einstein arbejdede hen imod sin ph.d. han var blandt de første til at forklare, hvordan partikler udviser tilfældige bevægelser i væsker. Diffusion er en vigtig fysisk proces, og Stokes-Einstein forholdet beskriver, hvordan partikler diffunderer gennem en væske baseret på den hydrodynamiske teori. Men på mystisk vis ved lave temperaturer under smeltetemperaturen, noget ændrer sig i underafkølede væsker, og den resulterende meget tyktflydende glasagtige adfærd kan ikke længere forklares med det simple Stokes-Einstein-forhold.

Nu, to forskere fra Osaka University og Nagoya University har simuleret superafkølet vand i hidtil usete detaljer for at forklare den unormale adfærd ved lave temperaturer. De har for nylig offentliggjort deres resultater i Videnskabens fremskridt .

"De fleste væsker adlyder Stokes-Einstein-ligningen over en lang række temperaturer, men nogle uventede ændringer i adfærd findes i underafkølet vand og andre glasagtige materialer, "medforfatter Kang Kim, fra Osaka University, siger. "Opdeling af Stokes-Einstein-adfærd tyder på en form for unormale molekylære bevægelser selv i flydende tilstand, men det er ikke klart, hvad disse adfærd er."

Det simple Stokes-Einstein-forhold er baseret på argumenter om, hvordan molekyler bevæger sig tilfældigt på mikroskopisk niveau. Men i superafkølet vand, molekyler begynder at bremse uregelmæssigt. Forskerne viste gennem simuleringer, at nogle områder af vandet bliver mere påvirket end andre, danner hydrogenbindinger heterogent med delvis størkning.

Vandmolekyler bevæger sig gennem det tyktflydende underafkølede vand i spring relateret til brintbindingsbrud. Den uberegnelige timing af denne form for bevægelse er ikke redegjort for af Stokes-Einstein-ligningen.

Deres simuleringer gjorde det muligt for dem at undersøge, hvordan det superkølede vand-hydrogenbindingsnetværk ændrede sig over tid. Deres modellering viste tydeligt, at en intermitterende brintbindingsbrudtidspunkter bidrog til nedbrydningen af ​​Stokes-Einstein-adfærd.

"Der er interessante fysiske implikationer af disse fund, da Stokes-Einstein-overtrædelsen betragtes som en hydrodynamisk anomali af mange glasagtige materialesystemer, " siger Kim. "Vores simuleringer hjælper med at besvare spørgsmål om, hvad der sker i rent underafkølet vand og kan også hjælpe med at forklare anden dynamisk adfærd i andre teknologisk vigtige glasagtige materialer."