Tetraedre kan forklare vandets unikke karakter

Forskere ved Institute of Industrial Science ved University of Tokyo gennemgik eksperimentelle data for at undersøge muligheden for, at superafkølet vand har en væske-til-væske faseovergang mellem uordnede og tetraedrisk strukturerede former. De fandt beviser for et kritisk punkt baseret på samarbejdsdannelsen af ​​tetraedre, og viser dens mindre rolle i vands anomalier. Dette arbejde viser, at vands særlige kvaliteter - som er essentielle for livet - overvejende stammer fra to-stats-træk.

Flydende vand er uundværligt for livet, som vi kender det, men mange af dets egenskaber stemmer ikke overens med den måde, andre væsker opfører sig på. Nogle af disse anomalier, såsom vands maksimale tæthed ved 4°C og dets store varmekapacitet, har vigtige konsekvenser for levende organismer. Oprindelsen af ​​disse træk har udløst voldsomme debatter i det videnskabelige samfund siden Röntgens tid.

Nu, forskere ved University of Tokyo har brugt en to-statsmodel, der antyder den dynamiske sameksistens af to typer molekylære strukturer i flydende vand. Disse er den velkendte uordnede normal-væske struktur og en lokalt begunstiget tetraedrisk struktur. Som med mange andre faseovergange, der kan være et "kritisk punkt", hvor korrelationen mellem tetraedre antager en magtlovsform, hvilket betyder, at der ikke længere vil være nogen "typisk" længdeskala.

Ved hjælp af computersimuleringer af vandmolekyler, sammen med en omfattende analyse af eksperimentelle strukturelle, termodynamisk, og dynamiske data – inklusive røntgenspredning, massefylde, kompressibilitet, og viskositetsmålinger - forskerne var i stand til at indsnævre, hvor et kritisk punkt skulle være, hvis det findes.

"Hvis dannelsen af ​​tetraedriske strukturer i flydende vand er samvirkende under disse forhold, så er en væske-væske faseovergang med et kritisk punkt mulig, " siger hovedforfatter Rui Shi.

Holdet viste, at dette sker omkring en temperatur på -90°C og et tryk på omkring 1, 700 atmosfærer. Eksperimenter i dette område er ekstremt vanskelige:fordi vandet er så langt under det normale frysepunkt, Der kan hurtigt dannes iskrystaller. Imidlertid, prøver kan forblive flydende i en metastabil "superkølet" tilstand ved disse meget høje tryk.

"Vi så beviser for, at det kritiske punkt er reelt, men dens virkning er næsten ubetydelig i det eksperimentelt tilgængelige område af flydende vand, fordi det er for langt fra det kritiske punkt. Det betyder, at vands anomalier kommer fra to-stats-funktionen og ikke fra kritikalitet, " siger seniorforfatter Hajime Tanaka. Forskerne forventer, at dette projekt vil føre til konvergensen af ​​den lange debat om oprindelsen af ​​vands anomalier og mere eksperimentel forskning for at få adgang til vands andet kritiske punkt.