Den övre vänstra panelen:Ögonblicksbild av en skiva vatten innesluten i kiseldioxidporen. Den blå cirkeln innehåller det fria vattnet, ' vattenmolekylerna som inte är i kontakt med substratet. Nedre vänstra panelen:Densitetsprofilen för vattenmolekylerna längs porradien. De regioner som ockuperas av det fria vattnet respektive det "bundna vattnet, "vatten fäst vid underlaget, Den övre högra panelen:Kurvorna representerar hur molekylernas syreatomer är ordnade i skal runt en given syreatom i ursprunget vid olika temperaturer. Topparna representerar positionerna där de olika skalen finns. Strukturen visas för några av de underkylda temperaturerna som undersökts. Nedre högra panelen:Huvudresultatet av vår datorsimulering ges av beteendet hos överskottsentropin, en bråkdel av den totala entropin, erhålls från syrestrukturen i fritt vatten. Avvikelsen för de beräknade svarta punkterna från den teoretiska (röda) kurvan indikerar att vatten genomgår en beteendeförändring före och när man närmar sig glasövergången. Kredit:Margherita De Marzio, Gaia Camisasca, Maria Martin Conde, Mauro Rovere och Paola Gallo
Det finns få saker som är mer centrala för livet på jorden än vatten. Den dominerar det fysiska landskapet, täcker stora delar av planeten som hav. Det är också en viktig komponent i människokroppen, innefattande, till exempel, mer än 70 % av massan av ett nyfött barn.
Men trots dess allestädesnärvaro, vatten har många fysiska egenskaper som fortfarande inte helt förstås av forskarvärlden. En av de mest förbryllande relaterar till aktiviteten hos vattenmolekyler efter att de genomgått en process som kallas "superkylning".
Nu, nya rön från Roma Tre University, i Rom, Italien, om växelverkan mellan vattenmolekyler under dessa exotiska förhållanden visas denna vecka i Journal of Chemical Physics .
"I vanliga fall, när flytande vatten kyls under sin fryspunkt, vattenmolekylerna ordnar sig i ordnade, kristallstruktur som är is, sa Paola Gallo, en docent i fysik vid Roma Tre University. "Med underkylning, speciella tekniker används för att kyla vatten mycket snabbt på ett sådant sätt att det förblir en vätska även om dess temperatur har sänkts långt under fryspunkten. Det finns ett antal anomalier i vattenmolekylers aktivitet under dessa underkylda förhållanden som ännu inte har förklarats helt."
Med hjälp av en datorbaserad simulering, Gallo och hennes kollegor belyser en termodynamisk egenskap hos vatten som hjälper till att förklara hur vattenmolekyler i underkylt tillstånd interagerar med varandra och med molekylerna i andra material.
"Medan underkylning är ett viktigt fenomen att studera, utmaningen är att det är väldigt svårt att superkyla vatten i ett labb, sa Gallo.
Förr, forskare har försökt ta itu med detta problem genom att underkyla vatten "i instängd, fokuserar ansträngningarna på att studera vatten som är inneslutet i tillverkade porer med en radie på några få namometer (dvs. en eller två storleksordningar större än diametern på vattenmolekylen). Detta, dock, har väckt en fråga om huruvida egenskaperna hos detta inneslutna vatten skiljer sig från det för bulkvatten, där vattenmolekyler interagerar fritt i större volymer.
"Denna fråga har varit en punkt av ständigt intresse i vårt arbete, " sa Gallo. "I tidigare studier, vi har visat att interaktioner med andra kemikalier endast påverkar de vattenmolekyler som är mycket fysiskt nära molekylerna i en annan kemikalie, såsom molekylerna som utgör väggen i poren. Vattenmolekylerna i mitten av poren, det fria vattnet, behålla många av egenskaperna hos bulkvatten."
"Med denna studie, vi upptäckte att det finns ytterligare paralleller, Gallo sa också. vår simulering visar att en egenskap hos strukturen av nätverket av vattenmolekyler, som kan mätas och verifieras experimentellt, kan användas för att bestämma förändringarna i vattnets entropi, den termodynamiska kvantiteten som mäter oordning i ett system [...] som kan ge insikter om några av de mer ovanliga termodynamiska aspekterna av vattnets aktivitet i detta underkylda tillstånd."
Dessa fynd skapar ett ramverk för andra experimentella fysiker att återskapa simuleringen med fysiska prover i ett labb. För Gallo och hennes kollegor, deras arbete ger en grund för ytterligare undersökning av sambanden mellan de termodynamiska egenskaperna hos inneslutet vatten och bulkvatten.
"Vatten är den viktigaste vätskan vi har på jorden, " förklarade Gallo. "Alla insikter som forskare kan avslöja om dess egenskaper kan främja inte bara vår kollektiva förståelse av fysik, men också av biologi och kemi, och öppna upp nya möjligheter för att integrera denna kunskap i olika tekniska tillämpningar."
