Nyt bevis på, at vand adskilles i to forskellige væsker ved lave temperaturer

Kredit:CC0 Public Domain

En ny form for "faseovergang" i vand blev først foreslået for 30 år siden i en undersøgelse af forskere fra Boston University. Fordi overgangen er blevet forudsagt at ske under superkølede forhold, har det imidlertid været en udfordring at bekræfte dens eksistens. Det er fordi ved disse lave temperaturer, vil vand virkelig ikke være en væske, i stedet vil det hurtigt blive til is. På grund af dens skjulte status er meget stadig ukendt om denne væske-væske faseovergang, i modsætning til de daglige eksempler på faseovergange i vand mellem en fast eller dampfase og en flydende fase.

Dette nye bevis, offentliggjort i Nature Physics , repræsenterer et væsentligt skridt fremad i at bekræfte ideen om en væske-væske faseovergang først foreslået i 1992. Francesco Sciortino, nu professor ved Sapienza Università di Roma, var medlem af det oprindelige forskerhold ved Boston University og er også en co -forfatter til dette papir.

Holdet har brugt computersimuleringer til at hjælpe med at forklare, hvilke funktioner der adskiller de to væsker på mikroskopisk niveau. De fandt ud af, at vandmolekylerne i væsken med høj densitet danner arrangementer, der anses for at være "topologisk komplekse", såsom en trefoil-knude (tænk på molekylerne arrangeret på en sådan måde, at de ligner en kringle) eller et Hopf-link ( tænk på to led i en stålkæde). Molekylerne i højdensitetsvæsken siges således at være viklet ind.

I modsætning hertil danner molekylerne i lavdensitetsvæsken for det meste simple ringe, og derfor er molekylerne i lavdensitetsvæsken ikke sammenfiltrede.

Andreas Neophytou, ph.d. studerende ved University of Birmingham med Dr. Dwaipayan Chakrabarti, er hovedforfatter på papiret. Han siger:"Denne indsigt har givet os et helt nyt syn på, hvad der nu er et 30 år gammelt forskningsproblem, og vil forhåbentlig kun være begyndelsen."

Forskerne brugte en kolloid model af vand i deres simulering og derefter to meget brugte molekylære modeller af vand. Kolloider er partikler, der kan være tusind gange større end et enkelt vandmolekyle. I kraft af deres relativt større størrelse, og dermed langsommere bevægelser, bruges kolloider til at observere og forstå fysiske fænomener, der også forekommer på de meget mindre atomare og molekylære længdeskalaer.

Termodynamiske anomalier og LLCP i kolloidt vand. a , Skematisk over den hierarkiske selvsamling af triblokede partikler, der fører til en kolloid model af vand. De to plastre, mærket A og B, er af forskellig størrelse og danner bindinger af forskellig styrke. A-lapperne (røde) danner stærkere bindinger end B-lapperne (blå) for at indkode to-trins samling ved afkøling. b , Udviklingen af den reducerede tæthed ρ ^⋆ som funktion af den reducerede temperatur T ^⋆ for forskellige reducerede tryk P ^⋆ , hvor P ^⋆ × 10³ = 5, 6, 7, 7,5, 8,5, 9, 10, 12, 14 og 16. Pilen angiver retningen for stigende P ^⋆ . Indsætningen fremhæver densitetsmaksimum for P ^⋆ × 10³ = 5, 6, 7 og 7,5. c , Udviklingen af den reducerede termiske udvidelseskoefficient (α⋆PαP⋆{\alpha }_{P}^{\star}), isotermisk kompressibilitet (κ⋆TκT⋆{\kappa }_{T}^{\star}) og isobarisk varmekapacitet (c⋆PcP⋆{c}_{P}^{\star}) som funktioner af T ^⋆ på P ^⋆ = 0,0085 (tæt på det kritiske tryk). Fejlbjælker repræsenterer standardafvigelsen over fem sæt Monte Carlo-baner, hver på 1 × 10⁸ cyklusser. d , Afhængigheden af ρ ^⋆ og brøkdelen af dannede BB-bindinger (f _b ) på P ^⋆ ved T ^⋆ = 0,105 og T ^⋆ = 0,112. e , Fordelingen af ordreparameteren M for kolloidt vand (blå symboler), beregnet ved hjælp af histogramgenvejning, med T ^⋆ ≈ 0,1075, P ^⋆ ≈ 0,0082 og s ≈ 0,627, sammenlignet med den tilsvarende 3D Ising universalfordeling (udtrukket rød linje). Kredit:Naturfysik (2022). DOI:10.1038/s41567-022-01698-6

Dr. Chakrabarti, en medforfatter, siger:"Denne kolloide model af vand giver et forstørrelsesglas til molekylært vand og sætter os i stand til at opklare vandets hemmeligheder vedrørende historien om to væsker."

Professor Sciortino siger:"I dette arbejde foreslår vi for første gang et syn på væske-væske faseovergangen baseret på ideer om netværkssammenfiltring. Jeg er sikker på, at dette arbejde vil inspirere til ny teoretisk modellering baseret på topologiske koncepter."

Holdet forventer, at den model, de har udtænkt, vil bane vejen for nye eksperimenter, der vil validere teorien og udvide begrebet "sammenfiltrede" væsker til andre væsker såsom silicium.

Pablo Debenedetti, professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved Princeton University i USA og en verdensførende ekspert inden for dette forskningsområde, bemærker:"Dette smukke beregningsarbejde afdækker det topologiske grundlag, der ligger til grund for eksistensen af forskellige væskefaser i det samme netværk -dannende stof.

"Ved at gøre det beriger og uddyber det væsentligt vores forståelse af et fænomen, som rigelige eksperimentelle og beregningsmæssige beviser i stigende grad antyder er central for fysikken i den vigtigste væske:vand."

Christian Micheletti, professor ved International School for Advanced Studies i Trieste, Italien, hvis aktuelle forskningsinteresse ligger i at forstå indvirkningen af sammenfiltring, især knuder og links, på biopolymerers statiske, kinetik og funktionalitet, siger:"Med denne enkelt artikel , gjorde Neophytou et al. adskillige gennembrud, der vil være konsekvens på tværs af forskellige videnskabelige områder.

"For det første åbner deres elegante og eksperimentelt medtagelige kolloide model for vand helt nye perspektiver for storstilede undersøgelser af væsker. Udover dette giver de meget stærke beviser på, at faseovergange, der kan være uhåndgribelige for traditionel analyse af væskers lokale struktur, i stedet er let opfanges ved at spore knuder og led i væskens bindingsnetværk.

"Ideen om at søge efter sådanne forviklinger i det noget abstrakte rum af veje, der løber langs forbigående molekylære bindinger, er meget kraftfuld, og jeg forventer, at den vil blive brugt bredt til at studere komplekse molekylære systemer."

Sciortino siger:"Vand, den ene efter den anden, afslører sine hemmeligheder. Drøm, hvor smukt det ville være, hvis vi kunne se ind i væsken og observere dansen af vandmolekylerne, den måde, de flimrer på, og den måde, de udveksler partnere på, omstrukturering brintbindingsnetværket. Realiseringen af den kolloide model for vand, vi foreslår, kan gøre denne drøm til virkelighed." + Udforsk yderligere

Ny metode undersøger gas-væske-grænsefladen i nye detaljer

Sidste artikelOverraskende attraktivitet af en hindring for at udvikle sikker, ren og kulfri energi

Næste artikelSandslotsteknik:En geoteknisk ingeniør forklarer, hvordan vand, luft og sand skaber solide strukturer