Superafkølet vand er en stabil væske, viser forskere for første gang

Superafkølet vand er i virkeligheden to væsker i én. Det er konklusionen, som et forskerhold ved det amerikanske energiministeriums Pacific Northwest National Laboratory nåede frem til efter at have foretaget de første målinger nogensinde af flydende vand ved meget koldere temperaturer end dets typiske frysepunkt.

Fundet, offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , leverer længe søgte eksperimentelle data til at forklare noget af den bizarre adfærd, vand udviser ved ekstremt kolde temperaturer, der findes i det ydre rum og langt ude i Jordens egen atmosfære. Indtil nu, flydende vand ved de mest ekstreme mulige temperaturer har været genstand for konkurrerende teorier og formodninger. Nogle forskere har spurgt, om det overhovedet er muligt for vand virkelig at eksistere som en væske ved temperaturer så lave som -117,7 F (190 K), eller om den mærkelige adfærd bare er vand, der omarrangerer på sin uundgåelige vej til et fast stof.

Argumentet betyder noget, fordi at forstå vand, som dækker 71 procent af jordens overflade, er afgørende for at forstå, hvordan det regulerer vores miljø, vores krop og selve livet.

"Vi viste, at flydende vand ved ekstremt kolde temperaturer ikke kun er relativt stabilt, den findes i to strukturelle motiver, " sagde Greg Kimmel, en kemisk fysiker ved PNNL. "Resultaterne forklarer en langvarig kontrovers om, hvorvidt dybt underafkølet vand altid krystalliserer, før det kan ækvilibrere. Svaret er:nej."

Superafkølet vand:En fortælling om to væsker

Man skulle tro, vi forstår vand nu. Det er et af de mest udbredte og mest undersøgte stoffer på planeten. Men på trods af dens tilsyneladende enkelhed - to hydrogenatomer og et iltatom pr. molekyle - H ₂ O er bedragerisk kompliceret.

Det er overraskende svært for vand at fryse lige under dets smeltepunkt:vand modstår frysning, medmindre det har noget at få det i gang, som støv eller et andet fast stof at klynge sig til. I rent vand, det kræver et energisk skub at skubbe molekylerne ind i det specielle arrangement, der skal til for at fryse. Og det udvider sig, når det fryser, hvilket er mærkelig adfærd sammenlignet med andre væsker. Men det underlige er det, der opretholder livet på Jorden. Hvis isterninger sank eller vanddamp i atmosfæren ikke holdt på varmen, liv på Jorden, som vi kender det, ville ikke eksistere.

Vands underlige adfærd har holdt kemiske fysikere Bruce Kay og Greg Kimmel beskæftiget i mere end 25 år. Nu, de og postdoktorale videnskabsmænd Loni Kringle og Wyatt Thornley har opnået en milepæl, som de håber vil udvide vores forståelse af de forvridninger, flydende vandmolekyler kan lave.

Forskellige modeller er blevet foreslået for at forklare vands usædvanlige egenskaber. De nye data opnået ved hjælp af en slags stop-motion "snapshot" af superafkølet vand viser, at det kan kondensere til en høj tæthed, væskelignende struktur. Denne form med højere densitet eksisterer sideløbende med en struktur med lavere tæthed, der er mere i overensstemmelse med den typiske binding, der forventes for vand. Andelen af ​​væske med høj densitet falder hurtigt, når temperaturen går fra -18,7 F (245 K) til -117,7 F (190 K), understøttende forudsigelser af "blandings"-modeller for underafkølet vand.

Kringle og Thornley brugte infrarød spektroskopi til at udspionere de vandmolekyler, der var fanget i en slags stop-motion, da en tynd isfilm blev zappet med en laser, skabe et superafkølet flydende vand i et par flygtige nanosekunder.

"En vigtig observation er, at alle de strukturelle ændringer var reversible og reproducerbare, sagde Kringle, som udførte mange af eksperimenterne.

Graupel:det er superkølet vand!

Denne forskning kan hjælpe med at forklare Graupel, de luftige pellets, der nogle gange falder under køligt vejr. Graupel dannes, når et snefnug interagerer med underafkølet flydende vand i den øvre atmosfære.

"Flydende vand i den øvre atmosfære er dybt afkølet, " siger Kay, en PNNL laborant og ekspert i vands fysik. "Når den støder på et snefnug, fryser den hurtigt og derefter under de rigtige forhold, falder til jorden. Det er virkelig den eneste gang, de fleste mennesker vil opleve virkningerne af superafkølet vand."

Disse undersøgelser kan også hjælpe med at forstå, hvordan flydende vand kan eksistere på meget kolde planeter - Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun – i vores solsystem, og videre. Superafkølet vanddamp skaber også de smukke haler, der følger efter kometer.

Vandmolekyle gymnastik

Her på jorden, en bedre forståelse af de forvridninger, vand kan udføre, når det placeres i en trang situation, såsom et enkelt vandmolekyle kilet ind i et protein, kunne hjælpe videnskabsmænd med at designe ny medicin.

"Der er ikke meget plads til de vandmolekyler, der omgiver individuelle proteiner, " sagde Kringle. "Denne forskning kunne kaste lys over, hvordan flydende vand opfører sig i tætpakkede miljøer."

Thornley bemærkede, at "i fremtidige undersøgelser, vi kan bruge denne nye teknik til at følge de molekylære omlejringer, der ligger til grund for en bred vifte af kemiske reaktioner."

Der er stadig meget at lære, og disse målinger vil hjælpe med at lede vejen til en bedre forståelse af den mest rigelige livgivende væske på Jorden.