Water reageert zeer ongebruikelijk op zeer lage temperaturen. Laten we beginnen met het feit dat water, in tegenstelling tot de logica, niet krimpt, maar uitzet (daarom heeft ijs de eigenschap van drijfvermogen). Koud water is minder samendrukbaar dan warm water. Bovendien kunnen watermoleculen in bevroren toestand op alle mogelijke manieren van positie veranderen.
Dit alles is moeilijk te verklaren, en de bestaande theorieën zorgen in wetenschappelijke kringen voor felle controverses. Een daarvan is bijna drie decennia geleden geformuleerd en was dat ijswater in twee verschillende vloeibare vormen kan bestaan, waarvan er één een minder dichte structuur heeft. Met andere woorden, er zijn twee soorten water, die elk een aparte vloeistof zijn. Het is moeilijk om deze theorie in een laboratorium te bewijzen, maar Italiaanse wetenschappers zijn erin geslaagd bewijs te vinden om haar te verdedigen. De studie is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Science.
In hun studie suggereren wetenschappers Pablo Debenedetti en Gul H. Zerze van Princeton University en Francesco Shortico van La Sapienza in Rome dat het 'tweede kritische punt van water' optreedt bij temperaturen van -83 tot -100 graden en bij atmosferische druk die bijna 2000 keer hoger is. dan de druk boven zeeniveau. Het kritische punt is de enige temperatuur- en drukwaarde waarbij twee fasen van een stof niet meer te onderscheiden zijn, en dit gebeurt net voordat de stof van de ene fase naar de andere gaat. Water heeft bijvoorbeeld een bekend kritisch punt in de overgang van vloeistof naar damp.
"Stel je onze vreugde eens voor toen we zagen dat kritieke fluctuaties precies zo verlopen als we verwacht hadden, - legt Sortino uit, - nu kan ik rustig slapen, want na 25 jaar heeft mijn idee eindelijk bevestiging gevonden."
Tot nu toe konden experimenten met echte watermoleculen om het tweede kritieke punt van het "onderkoelen" van water te testen, geen ondubbelzinnig bewijs leveren van het bestaan ervan. Dit komt grotendeels door het feit dat ijskoud water meestal in ijs verandert, zei Debenedetti.
Om deze reden besloten de onderzoekers hun toevlucht te nemen tot computermodellen. Het proces is echt arbeidsintensief: ondanks het grote vermogen van moderne supercomputers, hebben wetenschappers 18 maanden besteed aan de nodige berekeningen om modellen te maken.
In simulaties, toen de temperatuur nog ver van het vriespunt was, begon de dichtheid van het water sterk te fluctueren. Als gevolg hiervan slaagden de wetenschappers erin het kritieke punt te vinden waarnaar ze op zoek waren in twee verschillende computermodellen van water. Om het kritieke punt van water in beide modellen te vinden, werden tegelijkertijd verschillende computationele benaderingen toegepast.
Net als bij de overgang van de vloeibare fase naar de gasfase, kan ijswater in twee verschillende fasen veranderen, afhankelijk van hoe de moleculen worden herschikt. In een vloeistof met een lage dichtheid zijn dus vier moleculen gegroepeerd rond een centraal molecuul om een tetraëder te vormen. In een vloeistof met een hogere dichtheid komt echter het zesde molecuul in het spel, wat leidt tot een toename van de dichtheid.
Promotie video:
In hun artikel schrijven de onderzoekers dat "binnen de grenzen van onze rekenmogelijkheden, het bestaan van een metastabiel kritiek punt in het stadium van diepe afkoeling van watermoleculen is bewezen."
Natuurlijk moet deze conclusie nu worden bevestigd door andere experimenten, "met gebruikmaking van nauwkeurigere en duurdere rekenmethoden".
