Vatten skiljer sig från andra ämnen eftersom dess fasta form - som detta isberg - är mindre tät än dess flytande form - som detta hav. Forskare studerar andra konstiga egenskaper hos vatten. Kredit:Wikimedia Commons
Vatten har många ovanliga egenskaper, såsom dess fasta form, is, att kunna flyta i flytande vatten, och de blir konstigare under fryspunkten. Underkylt vatten - under fryspunkten men fortfarande en vätska - är notoriskt svårt att studera. Vissa forskare tyckte att underkylt vatten betedde sig konstigt inom ett särskilt kallt område, bryta från en vätska till ett fast ämne, kristalliseras omedelbart vid en viss temperatur som något ur en Kurt Vonnegut-roman.
Nu, forskare har hittat ut ett sätt att ta ögonblicksbilder av vatten som fryser inom det djupt underkylda området. Och gissa vad? Vatten är inte så konstigt som det kan vara. Flytande vatten kan finnas hela vägen ner, kristalliseras till ett fast ämne långsammare när saker och ting blir kallare – som förväntat, men aldrig allt på en gång.
Ett team av forskare från Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory rapporterade arbetet i veckans Proceedings of the National Academy of Sciences Tidig upplaga online. Även om resultaten inte kommer att förändra hur du gör ditt iste på sommaren, det kan hjälpa teoretiker att fördjupa sin förståelse av vatten och hjälpa atmosfärsforskare att bättre förstå regn och moln.
Ett konstigt vattentrick
De flesta vet att is flyter på flytande vatten, men de kanske inte är medvetna om att vatten har svårt att bilda ett glas. Ett glas - som ett fönster - är ett fast ämne där molekylerna faktiskt är ordnade som de skulle vara i en vätska.
Ta ett gäng apelsiner. Apelsiner som blandas löst i en påse är som en vätska - de enskilda molekylerna kan röra sig ganska fritt. Om du packar apelsinerna snyggt i en låda, du bildar en kristall. Om du drar åt påsen och hindrar de blandade apelsinerna från att flytta runt men utan att ordna dem snyggt, du bildar ett glas.
Glasögon är bra eftersom de kan hålla föroreningar – tänk en fluga i bärnsten, eller kärnavfall i förglasat glas – medan kristaller sparkar ut föroreningar – frysning av havsvatten är ett sätt att avsalta det. För att göra ett glas, forskare smälter sand eller annan komponent tills den är flytande. Och sedan kyler de det så snabbt att det inte kan bilda en kristall innan det stelnar.
Men frys bulkvatten snabbt och det bildar inte ett glas. Det blir snabbt is. Att bli glas, flytande vatten måste kylas till en djupt minusgrader inom mikrosekunder - cirka 136 Kelvin (cirka minus 215 grader F), en temperatur vanlig i yttre rymden, där vissa förväntar sig att det finns glasartat vatten.
Det intervall som varit svårt att studera ligger något över den så kallade glasövergångstemperaturen. Forskare vet inte vad som händer mellan cirka 160 och 235 K. (I verkliga livet, det är mellan temperaturen på Mars måne Phobos och Fairbanks, Alaska, på djupet av vintern.) I den övre delen av det området (närmare 235 K, Fairbanks), vatten fryser från en underkyld vätska till en kristall på millisekunder, vilket är alldeles för snabbt för nuvarande analytiska tekniker att studera.
En laser (röd pil) skapar en liten droppe underkylt vatten ovanför is, tillåta forskare att använda en metod som kallas IRAS (gröna pilar) för att mäta i nanosekunder hur snabbt underkylt vatten förvandlas till is. Kredit:Kay, Kimmel/PNNL
Forskare kom med en mängd olika idéer för att förklara vad som kan hända i den outforskade regionen. De undrade om vattnet skulle förbli metastabilt – flytande men redo att börja kristallisera med ett ögonblicks varsel – ända ner till temperaturer där det blir ett glas. Eller om vätskan skulle bli instabil någonstans varmare än så, runt 228 K (lite varmare än rekordnivåerna på McMurdo Station i Antarktis), vid vilken tidpunkt det spontant skulle kristallisera på grund av vad fysiker kallar en singularitet. Också, något inom det området kan hända som kan hjälpa till att förklara varför vatten har svårt att bilda ett glas.
"Det fanns en uppsjö av postulat men en brist på data, " sa PNNL kemisk fysiker Bruce Kay.
"Vårt mål var att utveckla en ny teknik för att snabbt värma och kyla underkylda vattenfilmer i nanoskala, " sa PNNL fysiker Greg Kimmel.
Mysteriet inombords
För att få data inom det omätbara intervallet, Kimmel och Kay arbetade med Yuntao Xu, en laserexpert, och andra på PNNL och utvecklade ett sätt att värma och kyla vatten på nanosekunders tidsskalor med en laser. Med denna metod, PNNL-forskarna mätte hur snabbt det underkylda vattnet omvandlades till kristallin is när temperaturen sjönk. Kristallisationstiden sjönk från nanosekunder nära de högsta temperaturerna till timmar vid 126 K. Inte vid något tillfälle, speciellt vid 228 K, knäppte det underkylda vattnet till en kristall, utesluter möjligheten till en singularitet.
För att leta efter singulariteten från en annan vinkel, forskarna undersökte hur snabbt molekylerna i underkylt vatten kunde röra sig, och hur mycket det förändrades när det blev kallare. Om singulariteten existerade, de skulle förvänta sig att vattenmolekylerna inte skulle kunna röra sig någon gång. Från fryspunkten ner till glasningspunkten, molekylerna rörde sig långsammare och långsammare på ett komplext men kontinuerligt sätt. Övergripande, förhållandet mellan temperaturen och hur snabbt molekylerna kunde röra sig antydde inte en singularitet vid 228 K.
"Vi kan förmodligen ta singulariteten från bordet, " sa PNNL:s Kay.
Tagen tillsammans, resultaten ger värdefull insikt om hur vatten beter sig.
"Till exempel, i atmosfärisk kemi, underkylda vattendroppar finns i moln. Det finns frågor om hur länge de håller i sig, " sa PNNL:s Kimmel.
