Forskere beviser, at vand har flere flydende tilstande

Vand er en allestedsnærværende væske med mange meget unikke egenskaber. Måden den reagerer på ændringer i tryk og temperatur kan være helt anderledes end andre væsker, og disse egenskaber er afgørende for mange praktiske anvendelser og især for livet, som vi kender det. Hvad der forårsager disse anomalier har længe været en kilde til videnskabelig udforskning, men nu, et internationalt team af forskere, der inkluderer Nicolas Giovambattista, en professor ved CUNY, har bevist, at vand kan eksistere i to forskellige flydende tilstande - et fund, der kan forklare mange af vands unormale egenskaber. Deres forskning vises i et papir offentliggjort i 20. november-udgaven af ​​tidsskriftet Videnskab .

"Muligheden for, at vand kunne eksistere i to forskellige flydende tilstande blev foreslået for cirka 30 år siden, baseret på resultater opnået fra computersimuleringer, " sagde Giovambattista. "Denne kontraintuitive hypotese har været et af de vigtigste spørgsmål i vandets kemi og fysik, og et kontroversielt scenarie siden dets begyndelse. Dette skyldes, at eksperimenter, der kan få adgang til de to flydende tilstande i vand, har været meget udfordrende på grund af den tilsyneladende uundgåelige isdannelse under de forhold, hvor de to væsker skulle eksistere."

Den sædvanlige "flydende" tilstand af vand, som vi alle er bekendt med, svarer til flydende vand ved normale temperaturer (ca. 25 grader C). Imidlertid, papiret viser, at vand ved lave temperaturer (ca. -63 grader C) findes i to forskellige flydende tilstande, en væske med lav densitet ved lave tryk og en væske med høj densitet ved høje tryk. Disse to væsker har mærkbart forskellige egenskaber og adskiller sig med 20% i densitet. Resultaterne antyder, at under passende forhold, vand bør eksistere som to ublandbare væsker adskilt af en tynd grænseflade svarende til sameksistensen af ​​olie og vand.

Fordi vand er et af de vigtigste stoffer på Jorden - livets opløsningsmiddel, som vi kender det - spiller dets faseadfærd en fundamental rolle på forskellige områder, herunder biokemi, klima, kryokonservering, kryobiologi, materiale videnskab, og i mange industrielle processer, hvor vand fungerer som opløsningsmiddel, produkt, reaktant, eller urenhed. Det følger heraf, at usædvanlige karakteristika i vandets faseadfærd, såsom tilstedeværelsen af ​​to flydende tilstande, kan påvirke adskillige videnskabelige og tekniske applikationer.

"Det er stadig et åbent spørgsmål, hvordan tilstedeværelsen af ​​to væsker kan påvirke adfærden af ​​vandige opløsninger generelt, og især, hvordan de to væsker kan påvirke biomolekyler i vandige miljøer, " sagde Giovambattista. "Dette motiverer yderligere undersøgelser i søgningen efter potentielle applikationer."

Giovambattista er medlem af Fysik og Kemi Ph.D. programmer hos CUNY.

Det internationale hold, ledet af Anders Nilsson, professor i kemisk fysik ved Stockholms universitet, brugt komplekse eksperimenter og computersimuleringer til at bevise denne teori. Eksperimenterne, beskrevet som "science-fiction-lignende" af Giovambattista, blev udført af kolleger ved Stockholms universitet i Sverige, POSTECH University i Korea, PAL-XFEL i Korea, og SLAC nationalt acceleratorlaboratorium i Californien. Computersimuleringerne blev udført af Giovambattista og Peter H. Poole, professor ved St. Francis Xavier University i Canada. Computersimuleringerne spillede en vigtig rolle i fortolkningen af ​​eksperimenterne, da disse eksperimenter er ekstremt komplekse, og nogle observerbare elementer ikke er tilgængelige under eksperimenterne.