Vandets former:Ny forskning detaljerer vand mystiske faseovergange

Vand, altid vigtigt, altid kontroversielt, altid fascinerende, forbliver overraskende. For et stof, der er allestedsnærværende på Jorden, tre fjerdedele af vores planet er dækket af det, forskere kan stadig blive overrasket over nogle af dets egenskaber, ifølge Arizona State University kemiker C. Austen Angell.

Angell, en Regents Professor ved ASU's School of Molecular Sciences, har brugt en god del af sin fornemme karriere på at spore nogle af vands mere mærkværdige fysiske egenskaber. I et nyt stykke forskning netop offentliggjort i Videnskab (9. marts), Angell og kolleger fra University of Amsterdam har, for første gang, observerede en af ​​de mere spændende egenskaber forudsagt af vantteoretikere - at, ved tilstrækkelig super-køling og under specifikke forhold vil det pludselig skifte fra én væske til en anden. Den nye væske er stadig vand, men nu er den af ​​lavere densitet og med et andet arrangement af de hydrogenbundne molekyler med stærkere binding, der gør det til en mere viskøs væske.

"Det har intet at gøre med 'poly-vand', '" tilføjer Angell og minder om en videnskabelig fiasko for mange årtier siden. Det nye fænomen er en væske-væske faseovergang, og indtil nu var det kun set i computersimuleringer af vandmodeller.

Problemet med at observere dette fænomen direkte i rigtigt vand er, at kort før teorien siger, at det burde ske, det rigtige vand krystalliserer pludselig til is. Dette er blevet kaldt "krystallisationsgardinet", og det holdt fremskridtet med at forstå vandfysik og vand i biologi i årtier.

"Domænet mellem denne krystallisationstemperatur og den meget lavere temperatur, ved hvilken glasagtigt vand (dannet ved aflejring af vandmolekyler fra dampen) krystalliserer under opvarmning, er blevet kendt som et 'ingenmandsland', '" sagde Angell. "Vi fandt en måde at trække 'krystallisationsgardinet' til side lige nok til at se, hvad der sker bagved - eller mere korrekt, nedenfor - det, " sagde Angell.

Faseovergange af vand er vigtige at forstå for en lang række anvendelser. For eksempel, den velkendte og ødelæggende hivning af betonveje og gangstier om vinteren skyldes faseovergangen fra vand til is under betonen. Faseovergangen mellem flydende tilstande, beskrevet i det aktuelle arbejde, har meget til fælles med overgangen til is, men den sker ved en meget lavere temperatur, omkring -90 C (-130 F), og kun under superkølede forhold, så det vil sandsynligvis forblive for det meste en videnskabelig kuriosum i en overskuelig fremtid.

Angell forklarede, at han for et par år siden og hans forskningsmedarbejder Zuofeng Zhao, studerede den termiske opførsel af en speciel type "ideal" vandig opløsning, de havde brugt til at udforske foldningen og udfoldningen af ​​kugleformede proteiner. De ønskede at observere disse opløsningers evne til at superkøle og derefter forglasses. Søger grænsen for det glasagtige domæne, de tilføjede ekstra vand for at øge sandsynligheden for iskrystallisation og fandt ud af, at i stedet for endelig at udvikle varme som iskrystalliseret (efterlader en resterende ufrosset opløsning), som man normalt finder ved afkøling af saltvandsopløsninger, det afgav faktisk varme for at danne en ny væskefase.

Den nye væske var meget mere tyktflydende, måske endda glasagtig. Desuden, ved at vende retningen af ​​temperaturændringen, Angell og Zhao fandt ud af, at de kunne transformere den nye fase tilbage til den oprindelige løsning, før isen ville begynde at krystallisere.

"Denne observation, udgivet i Angewandte Chemie, vakte betydelig interesse, men der var ingen strukturel information til at forklare, hvad der skete, " sagde Angell. Det ændrede sig, da Angell besøgte universitetet i Amsterdam for to somre siden, og mødte Sander Woutersen, en specialist i infrarød spektroskopi, som blev meget interesseret i de strukturelle aspekter af fænomenet.

I Science papiret, holdet med Woutersen, hans studerende Michiel Hilbers og hans beregningskollega Bernd Ensing har nu vist, at de strukturer, der er involveret i væske-væske-overgangen, har de samme spektroskopiske signaturer - og de samme hydrogenbindingsmønstre - som ses i de to kendte glasagtige former for is produceret af møjsommelige alternative processer (høj- og lavdensitets amorfe faste faser af vand).

"Den væske-væske-overgang, vi havde fundet, blev nu set som den 'levende analog' af ændringen mellem to glasagtige tilstande af rent vand, der var blevet rapporteret i 1994, bruge rent pres som drivkraft, " forklarede Angell.

Resultaterne ser ud til at "give direkte bevis for eksistensen af ​​en væske-væske overgang bag 'krystallisationsgardinet' i rent vand, Woutersen sagde, tilføjer, at resultaterne giver en generel forklaring på de termodynamiske anomalier i flydende vand, og en validering af "det andet kritiske punkt teori" fremsat af Gene Stanleys gruppe for at forklare disse anomalier.

"Denne adfærd er næsten unik blandt de utallige kendte molekylære væsker, " tilføjede Angell. "Kun nogle få andre stoffer menes at udvise det, men ingen er blevet bevist til dato."