Forskare vid Institute of Industrial Science vid University of Tokyo sållade genom experimentella data för att undersöka möjligheten att underkylt vatten har en vätske-till-vätska fasövergång mellan oordnade och tetraedriskt strukturerade former. De hittade bevis på en kritisk punkt baserad på den kooperativa bildningen av tetraedrar, och visa dess mindre roll i vattnets anomalier. Detta arbete visar att vattnets speciella egenskaper – som är väsentliga för livet – huvudsakligen härrör från tvåtillståndsdraget.

Flytande vatten är oumbärligt för livet som vi känner det, men många av dess egenskaper överensstämmer inte med hur andra vätskor beter sig. Några av dessa anomalier, som vattens maximala densitet vid 4°C och dess stora värmekapacitet, har viktiga konsekvenser för levande organismer. Ursprunget till dessa egenskaper har väckt häftiga debatter i vetenskapssamfundet sedan Röntgens tid.

Nu, Forskare vid University of Tokyo har använt en tvåtillståndsmodell som förutsätter den dynamiska samexistensen av två typer av molekylära strukturer i flytande vatten. Dessa är den välbekanta oordnade normal-vätskestrukturen och en lokalt gynnad tetraedrisk struktur. Som med många andra fasövergångar, det kan finnas en "kritisk punkt" där korrelationen mellan tetraedrar antar en maktlagsform, vilket innebär att det inte längre kommer att finnas någon "typisk" längdskala.

Använda datorsimuleringar av vattenmolekyler, tillsammans med en omfattande analys av experimentella strukturella, termodynamisk, och dynamiska data – inklusive röntgenspridning, densitet, kompressibilitet, och viskositetsmätningar - forskarna kunde begränsa var en kritisk punkt skulle vara, om det finns.

"Om bildandet av tetraedriska strukturer i flytande vatten samverkar under dessa förhållanden, då är en vätske-vätskefasövergång med en kritisk punkt möjlig, ", säger huvudförfattaren Rui Shi.

Teamet visade att detta inträffar runt en temperatur på -90°C och ett tryck på cirka 1, 700 atmosfärer. Experiment inom detta område är oerhört svåra:eftersom vattnet är så långt under sitt normala fryspunkt, iskristaller kan snabbt bildas. Dock, prover kan förbli flytande i ett metastabilt "superkylt" tillstånd vid dessa mycket höga tryck.

"Vi såg bevis på att den kritiska punkten är verklig, men dess effekt är nästan försumbar i det experimentellt tillgängliga området av flytande vatten eftersom det är för långt från den kritiska punkten. Detta betyder att vattnets anomalier kommer från tvåtillståndsfunktionen och inte från kritik, ", säger seniorförfattaren Hajime Tanaka. Forskarna räknar med att det här projektet kommer att leda till sammansmältningen av den långa debatten om ursprunget till vattnets anomalier och mer experimentell forskning för att komma åt vattnets andra kritiska punkt.