Apa suprarăcită este două de un fel, arată un nou studiu.
Oamenii de știință au bănuit de mult că apa la temperaturi subîngheț vine în două soiuri distincte: un lichid cu densitate mare care apare la presiuni foarte mari și un lichid cu densitate scăzută la presiuni mai mici. Acum, măsurătorile ultrarapide au surprins transformarea apei de la un tip de lichid la altul, confirmând această bănuială. Descoperirea, raportată în 20 noiembrie Ştiinţăar putea ajuta la explicarea unora dintre ciudateniile apei.
Experimentul „adaugă din ce în ce mai multe dovezi la ideea că apa este într-adevăr două componente… și că acesta este motivul care stă la baza pentru care apa este atât de ciudată”, spune fizicianul Greg Kimmel de la Pacific Northwest National Laboratory din Richland, Washington, care a fost nu este implicat în studiu.
Când este lipsită de impurități, apa poate rămâne lichidă sub punctul de îngheț tipic de zero grade Celsius, formând ceea ce se numește un lichid suprarăcit. Dar natura duală a apei suprarăcite era de așteptat să apară într-un tărâm de temperatură atât de greu de studiat încât a fost numită „țara nimănui”. Sub aproximativ -40° C, apa rămâne lichidă pentru câteva clipe înainte de a cristaliza în gheață. Făcând sarcina și mai descurajantă, faza de mare densitate apare doar la presiuni foarte mari. Totuși, „oamenii au visat cum să facă un experiment”, spune Anders Nilsson de la Universitatea din Stockholm.
Datorită manevrelor experimentale rapide, Nilsson și colegii s-au infiltrat în acel pământ de nimeni monitorizând proprietățile apei pe o scară de nanosecunde. „Aceasta este una dintre realizările majore ale acestei lucrări”, spune chimistul computațional Gül Zerze de la Universitatea Princeton. „Sunt impresionat de munca lor.”
Oamenii de știință au început prin a crea un tip de gheață de înaltă densitate. Apoi, un impuls de la un laser cu infraroșu a încălzit gheața, formând apă lichidă sub presiune ridicată. Acea apă sa extins apoi, iar presiunea a scăzut rapid. Între timp, cercetătorii au folosit un laser cu raze X pentru a investiga modul în care s-a schimbat structura apei, pe baza modului în care razele X s-au împrăștiat. Pe măsură ce presiunea a scăzut, apa a trecut de la un fluid cu densitate mare la un fluid cu densitate scăzută înainte de a cristaliza în gheață.
Studiile anterioare au folosit tehnici ultrarapide pentru a găsi indicii de comportament cu două fețe a apei, dar acestea au fost făcute în principal la presiunea atmosferică (SN: 9/28/20). În noua lucrare, apa a fost observată la aproximativ 3.000 de ori presiunea atmosferică și –68° C. „Este prima dată când avem date experimentale reale la aceste presiuni și temperaturi”, spune fizicianul Loni Kringle de la Pacific Northwest National Laboratory, care a fost nu este implicat în experiment.
Rezultatul ar putea indica faptul că apa suprarăcită are un „punct critic” – o anumită presiune și temperatură la care două faze distincte se contopesc într-una singură. În viitor, Nilsson speră să identifice acel loc.
Un astfel de punct critic ar putea explica de ce apa este un lichid ciudat. Pentru majoritatea lichidelor, răcirea le face să devină mai dense și mai greu de comprimat. Apa devine mai densă pe măsură ce se răcește la 4° C, dar devine mai puțin densă pe măsură ce se răcește în continuare. De asemenea, compresibilitatea acestuia crește pe măsură ce se răcește.
Dacă apa suprarăcită are un punct critic, asta ar putea indica că apa experimentată în viața de zi cu zi este ciudată, deoarece, la presiuni și temperaturi tipice, este un lichid supercritic – o stare ciudată care apare dincolo de un punct critic. Un astfel de lichid nu ar fi forma de înaltă densitate sau de joasă densitate, ci ar consta din unele regiuni cu un aranjament de densitate mare de molecule de apă și alte pungi de densitate scăzută. Cantitățile relative ale acestor două structuri, care rezultă din aranjamente diferite ale legăturilor de hidrogen între molecule, s-ar modifica pe măsură ce temperatura se schimbă, explicând de ce apa se comportă ciudat pe măsură ce este răcită.
Deci, în ciuda faptului că experimentul a implicat presiuni și temperaturi extreme, spune Nilsson, „influențează apa în viața noastră obișnuită”.