Vatten är en allestädes närvarande vätska med många mycket unika egenskaper. Sättet det reagerar på förändringar i tryck och temperatur kan vara helt annorlunda än andra vätskor, och dessa egenskaper är väsentliga för många praktiska tillämpningar och särskilt för livet som vi känner det. Vad som orsakar dessa anomalier har länge varit en källa till vetenskaplig utforskning, men nu, ett internationellt team av forskare som inkluderar Nicolas Giovambattista, en professor vid CUNY, har bevisat att vatten kan existera i två olika flytande tillstånd – ett fynd som kan förklara många av vattnets anomala egenskaper. Deras forskning visas i en artikel som publicerades i numret av tidskriften den 20 november Vetenskap .

"Möjligheten att vatten kan existera i två olika flytande tillstånd föreslogs för ungefär 30 år sedan, baserat på resultat från datorsimuleringar, ", sa Giovambattista. "Denna kontraintuitiva hypotesen har varit en av de viktigaste frågorna i vattnets kemi och fysik, och ett kontroversiellt scenario sedan dess början. Detta beror på att experiment som kan komma åt de två flytande tillstånden i vatten har varit mycket utmanande på grund av den uppenbarligen oundvikliga isbildningen vid de förhållanden där de två vätskorna borde existera."

Det vanliga "flytande" vattnets tillstånd som vi alla känner till motsvarar flytande vatten vid normala temperaturer (cirka 25 grader C). Dock, tidningen visar att vatten vid låga temperaturer (cirka -63 grader C) finns i två olika flytande tillstånd, en lågdensitetsvätska vid låga tryck och en högdensitetsvätska vid höga tryck. Dessa två vätskor har märkbart olika egenskaper och skiljer sig med 20 % i densitet. Resultaten antyder att under lämpliga förhållanden, vatten bör existera som två oblandbara vätskor åtskilda av en tunn gränsyta som liknar samexistensen av olja och vatten.

Eftersom vatten är ett av de viktigaste ämnena på jorden - livets lösningsmedel som vi känner det - spelar dess fasbeteende en grundläggande roll inom olika områden, inklusive biokemi, klimat, kryokonservering, kryobiologi, materialvetenskap, och i många industriella processer där vatten fungerar som lösningsmedel, produkt, reaktant, eller orenhet. Av detta följer att ovanliga egenskaper i vattnets fasbeteende, såsom närvaron av två flytande tillstånd, kan påverka många vetenskapliga och tekniska tillämpningar.

"Det är fortfarande en öppen fråga hur närvaron av två vätskor kan påverka beteendet hos vattenlösningar i allmänhet, och i synnerhet, hur de två vätskorna kan påverka biomolekyler i vattenhaltiga miljöer, ", sa Giovambattista. "Detta motiverar ytterligare studier i sökandet efter potentiella tillämpningar."

Giovambattista är medlem av Ph.D. i fysik och kemi. program på CUNY.

Det internationella laget, ledd av Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet, använde komplexa experiment och datorsimuleringar för att bevisa denna teori. Experimenten, beskrivs som "science-fiction-liknande" av Giovambattista, utfördes av kollegor vid Stockholms universitet i Sverige, POSTECH University i Korea, PAL-XFEL i Korea, och SLAC nationella acceleratorlaboratorium i Kalifornien. Datorsimuleringarna utfördes av Giovambattista och Peter H. Poole, professor vid St. Francis Xavier University i Kanada. Datorsimuleringarna spelade en viktig roll i tolkningen av experimenten eftersom dessa experiment är extremt komplexa och vissa observerbara objekt inte är tillgängliga under experimenten.