I Kurt Vonneguts sci-fi-klassiker Cat's Cradle , is-nio är ett ämne som kan höja vattnets smältpunkt från 32 till 114,4 grader Fahrenheit. Vid kontakt med vatten, det sprider sig omedelbart och på obestämd tid, lämnar frusna hav och kyliga konsekvenser i dess spår. Lyckligtvis, som Vonnegut förklarar i epigrafen, "Inget i den här boken är sant." När han skrev romanen 1963, han kan ha haft rätt.

Forskare vid University of Pittsburgh har upptäckt det fantastiska beteendet hos en flytande polymer som kan frysa vatten vid rumstemperatur. Utöver att ge trovärdighet åt Vonneguts profetiska fantasi, den resulterande blandningen trotsar till synes termodynamikens andra lag, som säger att inom ett isolerat system, entropi ökar alltid.

"När du blandar två rena komponenter tillsammans, entropin (eller graden av störning), stiger alltid, "förklarar John Keith, biträdande professor i kemiteknik och Richard King Mellon fakultetstipendiat i energi vid Pitt's Swanson School of Engineering. "Den störningen orsakar nästan alltid att blandningar har en lägre fryspunkt än någon av komponenterna individuellt, inte högre. "

Blandningen av salt och vatten, till exempel, fryser vid lägre temperaturer än antingen salt eller vatten individuellt. Denna kvalitet gör salt väl lämpat för issmältning på vägar och trottoarer på vintern. Dock, när en viss polymer - känd som polyoxacyklobutan (POCB) - blandas med vatten, det höjer blandningens fryspunkt från 32 grader Fahrenheit till cirka 100 grader Fahrenheit. Forskarna publicerade sina fynd i tidskriften American Chemical Society (ACS) Makromolekyler .

Detta beteende är inte helt utan motstycke. Blandning av vissa metaller i specifika proportioner kan skapa legeringar som har högre smältpunkter än de enskilda metaller. Eftersom legeringar består av minst två atomer med olika storlek, gynnsamma kombinationer av atomer kan vävas samman för att skapa starka kemiska bindningar som motverkar termodynamikens andra lag.

"Detta beteende, där blandningen smälter högre än dess komponenter, är välkänt i metaller. Men det är väldigt ovanligt, bland icke-metaller, "säger Sachin Velankar, docent i kemiteknik vid Pitt och expert i polymervetenskap. "Så vitt jag vet, POCB verkar vara det enda ämnet som visar detta beteende med vatten. "

POCB kom ursprungligen till universitetet från kemitillverkaren DuPont som en del av ett forskningssamarbete mellan företaget och Robert Enick, vice ordförande i forskning för kemitekniska avdelningen. En doktorand som arbetar i Dr. Enicks laboratorium märkte att den flytande polymeren blev grumlig när den blandades med droppar vatten, men mer nyfiket, den resulterande kombinationen - eller "hydrat" - var en mjuk pasta (liknande jordnötssmör) när en exakt mängd vatten tillsattes. Ännu mer märkligt, experiment på materialet visade att välordnade kristalliter bildades mellan två vätskor.

Dr Keith och kollegor använde datormodellering för att hitta en stabil hydratstruktur där vattenmolekyler tränger sig genom polymeren för att bilda vätebindningar som håller ihop materialet som små dragkedjor. "Det tar mindre än en timme innan blandningen självmonteras vid rumstemperatur, och den slutliga strukturen är som läppbalsam, "Dr Keith säger.

Pitt -forskarna sökte vetenskapliga tidskrifter för att hitta vetenskapliga referenser till hydrater av POCB, som producerades av DuPont i slutet av 2000 -talet med namnet "Cerenol" eftersom det är tillverkat av majs (ett "spannmål"). Först blev deras sökning kort, men ett samtal med Eric Beckman, Distinguished Service Professor i kemiteknik och meddirektör för Pitt's Mascaro Center for Sustainable Innovation, tipsade dem om andra namn som polymeren kan ha kallats tidigare. Kort efter, Pitt -forskarna fann att hydratstrukturen redan hade upptäckts av ett team av japanska forskare i slutet av 1960 -talet.

"Polymeren har fyra eller fem namn, och vissa är icke-intuitiva, "säger Dr Velankar." Efter att vi hittat de tidigare studierna, vi insåg att vi insåg att vi hade upptäckt en spännande aspekt av ett gammalt fynd. "

Det japanska laget, använder liknande röntgentekniker som de som tolkats av Watson och Crick för att identifiera dubbelhelixen i DNA, hade funnit liknande hydratstrukturer genom att smälta högmolekylära former av polymeren som var fasta vid rumstemperatur. Den studien, som också dök upp i ACS -makromolekyler 1970, har gått relativt obemärkt under de fem decennierna sedan publiceringen. Innovationen från Pitt -forskarna är att liknande hydrater kan bildas spontant med lägre molekylviktsformer av polymeren som är flytande vid rumstemperatur, vilket eliminerar behovet av smältning före blandning med vatten.

"Polymeren kan också försiktigt suga ut fuktigheten från luften naturligt, "säger Dr Velankar." Vi kände att detta beteende var en nyfikenhet, men mycket intressant. Vår forskning har mest varit en grundläggande utforskning av ett mycket ovanligt fenomen, men det finns många potentiella applikationer att överväga. "

Pitt Engineering -forskarna har redan samarbetat med Alexander Star i Pitts kemiska institution för att täcka en nanorörselektrod med polymeren för att förvandla den till ett datorminnes. ACS -tidningen Materialkemi publicerade resultaten av studien.

En av de potentiella tillämpningarna kommer säkert inte att vara en domedagsapparat som Vonneguts is-nio eftersom POCB inte kan spridas omedelbart eller på obestämd tid genom vattenkällor. Istället för att utlösa apokalypsen, forskare vid University of Pittsburgh tror att upptäckten av denna polymers frysande beteende kan inleda nya innovationer.

"Nu när vi känner till ett exempel på en polymer-vattenblandning med dessa egenskaper, vi kan nu söka efter andra blandningar som kan ha andra intressanta egenskaper, "säger Dr Keith." Jag är mycket optimistisk att detta är en spännande ny klass av kristallina material som spontant bildas från blandningar av vätskor. "