Laserfokuseret på superafkølet vand

Drik denne factoid ind:vand er den underligste væske af alle.

De fleste væsker har forudsigelig og lignende adfærd. Men i modsætning til andre væsker, vand er mest tæt som en væske, ikke et fast stof. Vandlivet overlever vinteren, fordi isen flyder i stedet for at synke og udvide sig til én enorm solid gletsjer. Vands unikke, men mærkelige egenskaber hjælper med at understøtte livet.

I årtier, videnskabsmænd har forsøgt at finde ud af, hvad der er galt med vands mærkelige adfærd. Svarene ser ud til at ligge i et længe skjult vindue med ekstreme temperaturer.

I 2020, forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) gjorde et stort spring i forståelsen af ​​fænomenet. Detaljeret i journalen Videnskab , holdet brugte en banebrydende laseropvarmningsteknik, der afslørede - for første gang - de nanoskalaændringer, som superkølet flydende vand gennemgår mellem -117,7 grader Fahrenheit (190 K) og -18,7 grader Fahrenheit (245 K).

Teknikken trak gardinet tilbage fra dette tidligere indhyllede temperaturvindue, hvor vands mærkelige og subtile strukturelle ændringer finder sted. PNNL kemisk fysiker Greg Kimmel beskrev denne uudforskede vidde som "hele boldspillet i forståelsen af ​​vandets struktur."

Det boldspil er en del af programmet Condensed Phase and Interfacial Molecular Sciences, der er sponsoreret af US Department of Energy's Office of Basic Energy Science. Programmet finansierer forskning for at forstå den grundlæggende fysik og kemi i systemer, der er langt fra ligevægt, og hvordan de kommer i ligevægt. I dette tilfælde, det system er væsker – specifikt, vand.

"Vand er et af de vigtigste opløsningsmidler, vi har, " sagde Kimmel. "Vi forsøger bedre at forstå, hvordan vand opfører sig ved grænseflader, i indespærring og i løsninger, hvordan det kondenserer og krystalliserer, osv."

Konsekvenserne er vidtrækkende, lige fra biologiske og fysiske processer relateret til klimaændringer, til bedre kemi for energi og nuklear forarbejdning, til ny medicin til bekæmpelse af sygdomme.

Forskere inden for alle disse områder vil snart gnide albuerne på PNNL's Energy Sciences Center, planlagt til at åbne i slutningen af ​​2021. Den nye 140, Et 000 kvadratmeter stort mødested vil være vært for op til 250 teoretikere, eksperimentalister, besøgende videnskabsmænd, og støttepersonale, for ikke at nævne den seneste videnskabelige instrumentering. Kimmel og hans kolleger ser frem til at arbejde i samarbejdsmiljøet, mens de forbliver laserfokuserede på superafkølet vand.

Et spørgsmål om ligevægt - eller ej

"Når du sænker temperaturen, de fleste flydende molekyler pakker meget tæt sammen og er meget tætte. Men under 39 grader Fahrenheit, vand er lige det modsatte, " forklarede Loni Kringle, der arbejdede som postdoc med Kimmels team på superkølet vand studier. "Vandmolekyler danner tetraedriske bindinger, der fylder meget. Når vandet afkøles, det udvider sig og falder i tæthed." Tænk på isterninger, der springer ud af deres bakke.

Forskere forstår dette store billede meget godt, men hvordan sker det i detaljer? Ikke så meget.

Vand, der forbliver i flydende form et godt stykke under det normale frysepunkt - kaldet underafkølet vand - er langt fra ægte ligevægt, den mest stabile tilstand. Hvis dens struktur ikke ændrer sig, vandet er i en såkaldt metastabil tilstand. Eksperimenterne af Kimmel og team målte den hastighed, hvormed superafkølet vand slapper af fra dets startkonfiguration til "metastabil ligevægt", før det krystalliserer.

"Om du ønsker, at dit materiale skal opnå ligevægt eller ej, afhænger af, hvilke egenskaber du ønsker, at det skal have, " forklarede Kimmel, med radioaktivt affald som eksempel. "Hvis du ønsker at fange og holde radioaktive kerner, du ønsker at vedligeholde et glas, ikke et krystallinsk materiale, som kan gro korn og uddrive urenheder fra overfladen. Det ville være et problem."

Fra bøvsende affald til superafkølet vand

Kimmel sluttede sig til PNNL i 1992 for at studere reaktionerne, der er ansvarlige for opbygning og pludselig frigivelse af brintgas fra atomaffald, der er lagret i underjordiske tanke på DOE's Hanford-sted. Han simulerede "bøvsen"-processen ved at skyde elektroner på tynde vandfilm.

Hans arbejde passede godt med PNNL-forskeren Bruce Kays forskning i strukturen og kinetikken af ​​film ved grænseflader, ser på, hvordan vand desorberer og energi frigiver på tværs af en række temperaturer. De to videnskabsmænd forfulgte en idé om at prøve laseropvarmning for at måle hastigheden, hvormed vand krystalliserer og diffunderer.

Der eksisterede teorier om reversible strukturelle transformationer før vand krystalliserer, ved temperaturer over -171 grader Fahrenheit (160 K) og under -36 grader Fahrenheit (235 K) - men der var ingen beviser. Tidligere eksperimenter sprang lige over spændet.

"Det temperaturområde er meget svært at nå og kontrollere eksperimentelt, og det er hvad den pulserende opvarmningsteknik overvandt, " forklarede Kringle. Hun arbejdede sammen med en anden postdoc-forsker, Wyatt Thornley, at udføre eksperimenterne og hjælpe med at analysere dataene.

Holdets opfølgende forskning, offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences i april, undersøgte "kinetikkens snævre grovhed - hvordan vandfilm slapper af i to strukturelle motiver, " sagde Kringle. "Vi så på detaljerne i de strukturelle ændringer, går ud over kvalitative observationer ved at beregne forskellene, når man starter fra høje versus lave temperaturer, derefter sammenligne resultaterne med modeller i litteraturen."

Nye forskningsretninger

I fremtiden, holdet planlægger at arbejde sammen med professor Valeria Molinero fra University of Utah for at få en bedre forståelse af kinetikken og dynamikken, der opstår under eksperimenterne med pulserende opvarmning. Molinero er ekspert i simulering af molekylær dynamik af vandige systemer.

Samarbejde som dette er udtryk for visionen bag Energividenskabscentret. Forskerne tænker allerede på de forskellige retninger, det nye spillested og deres pulserende opvarmningsteknik kunne tage dem – og andre.

En idé er at ændre temperaturen på deres eksperiment, før vandet når den metastabile ligevægtstilstand. Denne justering ville give dem mulighed for at studere, hvordan vand "husker" og "ældes, " som det ses i forskning i superkølet glas.

En anden studievej er at undersøge "tungt vand", der indeholder deuterium, en naturligt forekommende isotop af brint. Deuterium indeholder en ekstra neutron, der gør den tungere end et standard brintatom. Sammenligning af kvanteskala-interaktioner, der forekommer i tungt vand versus almindeligt vand, vil give forskerne mere klarhed om vands underlige adfærd sammenlignet med andre væsker.

Og fordi pulserende laseropvarmning egner sig til hurtige reaktioner, andre forskere har udtrykt interesse for at bruge teknikken til kemistudier.

I mellemtiden, Kringle har sine egne planer.

"Tidsskalaerne for vores teknik har været en begrænsning, når vi ser på rent vand. Jeg lavede et hurtigt udforskende eksperiment og fandt ud af, at hvis vi tilføjer andre molekyler til vandet, som kulilte, vi kan ændre temperaturen, hvor den strukturelle overgang finder sted, " sagde Kringle. "Jeg vil gerne følge op og se, hvad der sker ved enden af ​​overgangen. Dette vil give information om opløseligheden af ​​de andre molekyler, vi tilføjer."

Kringle, som også brænder for STEM-uddannelse og outreach, er nu fastansat videnskabsmand, slutter sig til Kimmel og Kay i PNNL's Physical Sciences Division, ledet af Wendy Shaw.

"Loni er et godt eksempel på den næste generation af videnskabsmænd og ingeniører, som vil bære stafetten for videnskabelig opdagelse ind i fremtiden, ikke kun på PNNL og det nye Energy Science Center, men på forskningsinstitutioner over hele landet, " sagde Shaw.