Eksperyment poklatkowy ujawnia podwójną naturę przechłodzonej wody

Teoria głosi, że woda w stanie ciekłym w temperaturach znacznie poniżej zera składa się z dwóch różnych układów cząsteczek, jednej o dużej gęstości i drugiej o małej gęstości. Teraz eksperyment dostarcza nowych dowodów na tę teorię, donoszą naukowcy w Science 18 września .

Zwykle woda zamarza poniżej 0 ° Celsjusza z powodu zanieczyszczeń, takich jak kurz w wodzie, na którym mogą zarodkować kryształki lodu. Ale czysta woda, która nie ma tych starterów krystalizacji, może pozostać ciekła w znacznie niższych temperatur, co jest zjawiskiem nazywanym przechłodzeniem.

W latach dziewięćdziesiątych grupa fizyków zaproponowała, że ​​przy wysokich ciśnieniach i bardzo niskich temperaturach przechłodzona woda rozpada się na dwie odrębne ciecze o różnej gęstości. Pod ciśnieniem atmosferycznym, pod którym miał miejsce nowy eksperyment, przechłodzona woda zachowywałaby pewne ślady tego zachowania, powodując przejściowe układy cząsteczek w formacjach o dużej i małej gęstości na małą skalę. Zwykłe ciecze mają tylko jeden taki układ, a nie dwa.

Chociaż eksperymenty wskazywały na ten efekt, naukowcy nie byli w stanie go w pełni zbadać. „Istnieje region temperaturowy, w którym [przechłodzona woda] jest bardzo trudna do zbadania” – mówi Loni Kringle z Pacific Northwest National Laboratory w Richland w stanie Wash. Między około –113 ° C a –38 ° C ciecz krystalizuje niezwykle szybko, nawet jeśli jest całkowicie czysta. To sprawia, że ​​trudno jest wydobyć jej właściwości, ponieważ pomiary muszą być wykonane w ułamku sekundy, zanim woda zamarznie.

Teraz Kringle i współpracownicy dostrzegli ten mroczny reżim temperaturowy za pomocą eksperymentu, który działa trochę jak film poklatkowy. Ogrzali cienką warstwę wody za pomocą lasera, a następnie szybko schłodzili ciecz. Uderzenie światłem podczerwonym ujawniło, jak cząsteczki wody poruszały się wokół, wskazując na strukturę wody. Następnie zespół powtórzył ten proces, aby zrobić migawki pokazujące, jak ta struktura ewoluowała w czasie, gdy była podgrzewana i chłodzona. To pozwoliło naukowcom zmierzyć właściwości cieczy w temperaturach, w których mogłaby szybko skrystalizować, gdyby była przetrzymywana tam przez dłuższy czas.

Naukowcy doszli do wniosku, że zachowanie wody podczas ogrzewania i chłodzenia można wytłumaczyć współistnieniem dwóch różnych układów molekularnych, zgodnie z wcześniejszymi przewidywaniami. Jednak zespół nie zmierzył bezpośrednio gęstości tych struktur, więc nadal potrzeba więcej pracy, aby potwierdzić, czy teoria jest poprawna.

„Połączenie technik jest całkiem nowe i oryginalne” – mówi inżynier chemik Pablo Debenedetti z Uniwersytetu Princeton, który nie był zaangażowany w badanie.

Lepsze zrozumienie dziwnych właściwości wody przechłodzonej może pomóc naukowcom zrozumieć jej dziwactwa. Na przykład, w przeciwieństwie do większości substancji, woda rozszerza się po zamarznięciu, dzięki czemu jest mniej gęsta niż jej płynna postać. To jest powód, dla którego lód unosi się w Twoim kubku i dlaczego znajduje się na szczycie jeziora, pozostawiając pod spodem warstwę cieczy, która może chronić życie wodne w okresie zimowym.

„Woda to bardzo dziwny płyn” – mówi fizyk Greg Kimmel, współautor badania, również z Pacific Northwest National Laboratory. „Ale wszyscy go znają, więc nie zdajemy sobie sprawy, jakie to dziwne”.

 

Źródło: Emily Conover

L. Kringle et al. Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 KScience. Vol. 369, September 18, 2020, p. 1490. doi: 10.1126/science.abb7542.

Zdjęcia: TIMOTHY HOLLAND/PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY

 

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x