Apa suprarăcită poate fi o afacere de două pentru unu.
O teorie de lungă durată susține că apa lichidă la temperaturi mult sub nivelul de îngheț este compusă din două aranjamente diferite de molecule, una cu densitate mare și alta cu densitate scăzută. Acum, un experiment oferă noi dovezi pentru această teorie, raportează cercetătorii în 18 septembrie Ştiinţă.
De obicei, apa îngheață sub 0° Celsius datorită impurităților, cum ar fi praful din apă, pe care se pot nuclea cristalele de gheață. Însă apa pură, căreia îi lipsesc acele pornitoare de cristalizare, poate rămâne lichidă la temperaturi mult mai scăzute, un fenomen numit suprarăcire.
În anii 1990, un grup de fizicieni a propus ca, la presiuni ridicate și la temperaturi foarte scăzute, apa suprarăcită se împarte în două lichide distincte de densități diferite. La presiunea atmosferică, sub care a avut loc noul experiment, apa suprarăcită ar reține câteva urme ale acestui comportament, rezultând aranjamente tranzitorii la scară mică de molecule în formațiuni de înaltă densitate și de joasă densitate. Lichidele normale au un singur astfel de aranjament, mai degrabă decât două.
Deși experimentele au sugerat acest efect, oamenii de știință nu au reușit să-l identifice pe deplin (SN: 18/06/14). „Există o regiune de temperatură în care [supercooled water is] doar experimental, foarte greu de privit”, spune Loni Kringle de la Pacific Northwest National Laboratory din Richland, Wash.
Între aproximativ –113° C și –38° C, lichidul cristalizează extrem de rapid, chiar dacă este complet pur. Acest lucru face dificilă descoperirea proprietăților sale, deoarece măsurătorile trebuie făcute într-o fracțiune de secundă înainte ca apa să înghețe.
Acum, Kringle și colegii săi au întrezărit acel regim de temperatură tulbure cu un experiment care funcționează un pic ca un film stop-motion. Au încălzit o peliculă subțire de apă folosind un laser și apoi au răcit rapid lichidul. Lovirea filmului cu lumină infraroșie a dezvăluit modul în care moleculele de apă s-au împodobit, sugerând structura apei. Echipa a repetat apoi acest proces pentru a face instantanee ale modului în care a evoluat acea structură în timp, pe măsură ce filmul a fost încălzit și răcit. Acest lucru a permis oamenilor de știință să măsoare proprietățile lichidului la temperaturi la care s-ar cristaliza rapid dacă ar fi ținut acolo pentru perioade mai lungi de timp.
Cercetătorii au ajuns la concluzia că comportamentul apei atunci când a fost încălzită și răcită ar putea fi explicată prin coexistența a două aranjamente moleculare diferite, așa cum s-a prezis anterior. Cu toate acestea, echipa nu a măsurat în mod direct densitatea acelor structuri, așa că este nevoie de mai multe lucrări pentru a confirma dacă teoria este corectă.
„Combinația de tehnici este destul de nouă și originală”, spune inginerul chimist Pablo Debenedetti de la Universitatea Princeton, care nu a fost implicat în studiu.
O mai bună înțelegere a proprietăților ciudate ale apei suprarăcite ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă ciudațiile apei. De exemplu, spre deosebire de majoritatea substanțelor, apa se extinde atunci când îngheață, făcând-o mai puțin densă decât forma sa lichidă. Acesta este motivul pentru care gheața plutește în ceașcă și de ce se așează deasupra unui lac, lăsând dedesubt un strat lichid care poate adăposti viața acvatică în timpul iernii.
„Apa este un lichid foarte ciudat”, spune fizicianul Greg Kimmel, coautor al studiului, de asemenea la Laboratorul Național Pacific Northwest. „Dar toată lumea este familiarizată cu asta, așa că nu ne dăm seama cât de ciudat este.”