Het resultaat zou kunnen helpen bij het verklaren van enkele van de rare eigenschappen van H.20
Een nieuwe studie bevestigt dat onderkoeld water in twee versies verkrijgbaar is: een vorm met hoge dichtheid (geïllustreerd door dicht opeengepakte watermoleculen in de onderste helft van een glas) en een vorm met lage dichtheid (boven).
Onderkoeld water is tweeledig, blijkt uit een nieuwe studie.
Wetenschappers hebben lang vermoed dat water bij temperaturen onder het vriespunt in twee verschillende varianten voorkomt: een vloeistof met een hoge dichtheid die verschijnt bij zeer hoge drukken en een vloeistof met een lage dichtheid bij lagere drukken. Nu zijn ultrasnelle metingen opgepikt water morphing van de ene soort vloeistof naar de andere, wat dat voorgevoel bevestigt. De ontdekking, gerapporteerd in 20 november Wetenschap, zou kunnen helpen bij het verklaren van enkele van de eigenaardigheden van water.
Het experiment “voegt steeds meer bewijs toe aan het idee dat water echt uit twee componenten bestaat … en dat is de reden waarom water zo raar is”, zegt natuurkundige Greg Kimmel van Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington. niet betrokken bij het onderzoek.
Als het vrij is van onzuiverheden, kan water vloeibaar blijven onder het typische vriespunt van nul graden Celsius, waardoor het een onderkoelde vloeistof vormt. Maar het tweeledige karakter van onderkoeld water zou naar verwachting verschijnen in een temperatuursgebied dat zo moeilijk te bestuderen was dat het ‘niemandsland’ werd genoemd. Onder ongeveer -40 ° C blijft water slechts enkele ogenblikken vloeibaar voordat het kristalliseert tot ijs. Om de taak nog uitdagender te maken, treedt de fase met hoge dichtheid alleen op bij zeer hoge drukken. Toch “hebben mensen gedroomd over hoe ze een experiment moeten doen”, zegt Anders Nilsson van de Universiteit van Stockholm.
Dankzij snelle experimentele manoeuvres zijn Nilsson en collega’s dat niemandsland geïnfiltreerd door de eigenschappen van water op een schaal van nanoseconden te volgen. “Dit is een van de belangrijkste prestaties van dit artikel”, zegt computationeel chemicus Gül Zerze van Princeton University. “Ik ben onder de indruk van hun werk.”
De wetenschappers begonnen met het maken van een soort ijs met een hoge dichtheid. Vervolgens verwarmde een puls van een infraroodlaser het ijs en vormde onder hoge druk vloeibaar water. Dat water zette toen uit en de druk daalde snel. Ondertussen gebruikten de onderzoekers een röntgenlaser om te onderzoeken hoe de structuur van het water veranderde op basis van de verstrooiing van de röntgenstralen. Naarmate de druk afnam, ging het water over van een vloeistof met een hoge dichtheid naar een vloeistof met een lage dichtheid voordat het kristalliseerde tot ijs.
Eerdere studies hebben ultrasnelle technieken gebruikt om hints te vinden van de tweezijdige houding van water, maar die zijn voornamelijk gedaan bij atmosferische druk (SN: 28-9-20). In het nieuwe werk werd het water waargenomen bij ongeveer 3.000 keer de atmosferische druk en -68 ° C. “Het is de eerste keer dat we echte experimentele gegevens hebben bij deze drukken en temperaturen”, zegt natuurkundige Loni Kringle van Pacific Northwest National Laboratory, die was niet betrokken bij het experiment.
Het resultaat zou erop kunnen wijzen dat onderkoeld water een “kritiek punt” heeft: een bepaalde druk en temperatuur waarbij twee verschillende fasen samenvloeien tot één. In de toekomst hoopt Nilsson die plek te lokaliseren.
Zo’n kritiek punt zou kunnen verklaren waarom water een vreemde vloeistof is. Voor de meeste vloeistoffen zorgt koeling ervoor dat ze dichter worden en moeilijker te comprimeren. Water wordt dichter naarmate het wordt afgekoeld tot 4 ° C, maar wordt minder compact naarmate het verder wordt afgekoeld. Evenzo neemt de samendrukbaarheid toe naarmate het afkoelt.
Als onderkoeld water een kritiek punt heeft, kan dat erop wijzen dat het water dat in het dagelijks leven wordt ervaren vreemd is, omdat het onder typische druk en temperaturen een superkritische vloeistof is – een vreemde toestand die voorbij een kritiek punt optreedt. Een dergelijke vloeistof zou niet de vorm met hoge dichtheid of lage dichtheid hebben, maar zou bestaan uit enkele gebieden met een hoge dichtheid van watermoleculen en andere holten met een lage dichtheid. De relatieve hoeveelheden van deze twee structuren, die het resultaat zijn van verschillende rangschikkingen van waterstofbruggen tussen de moleculen, zouden veranderen naarmate de temperatuur verandert, wat verklaart waarom water zich vreemd gedraagt als het wordt afgekoeld.
Dus ondanks het feit dat het experiment extreme drukken en temperaturen met zich meebracht, zegt Nilsson, “beïnvloedt het water in ons gewone leven.”
