Vi betraktar normalt flytande vatten som oordnat med molekylerna som omarrangeras på en kort tidsskala runt en genomsnittlig struktur. Nu, dock, forskare vid Stockholms universitet har upptäckt två faser av vätskan med stora skillnader i struktur och densitet. Resultaten är baserade på experimentella studier med röntgenstrålar, som nu publiceras i Proceedings of the National Academy of Science (USA).

De flesta av oss vet att vatten är avgörande för vår existens på planeten jorden. Det är mindre känt att vatten har många konstiga eller anomala egenskaper och beter sig väldigt annorlunda än alla andra vätskor. Några exempel är smältpunkten, tätheten, värmekapaciteten, och allt som allt finns det mer än 70 egenskaper hos vatten som skiljer sig från de flesta vätskor. Dessa avvikande egenskaper hos vatten är en förutsättning för livet som vi känner det.

"Den nya anmärkningsvärda egenskapen är att vi finner att vatten kan existera som två olika vätskor vid låga temperaturer där iskristallisationen är långsam", säger Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet. Genombrottet i förståelsen av vatten har varit möjligt genom en kombination av studier med röntgenstrålar vid Argonne National Laboratory nära Chicago, där de två olika strukturerna bevisades och vid det stora röntgenlaboratoriet DESY i Hamburg där dynamiken kunde undersökas och påvisas att de två faserna verkligen båda var flytande faser. Vatten kan alltså existera som två olika vätskor.

"Det är väldigt spännande att kunna använda röntgenstrålar för att bestämma de relativa positionerna mellan molekylerna vid olika tidpunkter", säger Fivos Perakis, postdoc vid Stockholms universitet med bakgrund inom ultrasnabb optisk spektroskopi. "Vi har särskilt kunnat följa omvandlingen av provet vid låga temperaturer mellan de två faserna och visat att det finns diffusion som är typiskt för vätskor".

När vi tänker på is är det oftast som en beställd, kristallin fas som du får ut ur islådan, men den vanligaste formen av is i vårt planetsystem är amorf, som är störd, och det finns två former av amorf is med låg och hög densitet. De två formerna kan omvandla varandra och det har förekommit spekulationer om att de kan relateras till låg- och högdensitetsformer av flytande vatten. Att experimentellt undersöka denna hypotes har varit en stor utmaning som Stockholmsgruppen nu har övervunnit.

"Jag har studerat amorfa isar under lång tid med målet att avgöra om de kan betraktas som ett glasartat tillstånd som representerar en frusen vätska", säger Katrin Amann-Winkel, forskare i kemisk fysik vid Stockholms universitet. "Det är en dröm som går i uppfyllelse att så detaljerat följa hur ett glasartat tillstånd av vatten förvandlas till en trögflytande vätska som nästan omedelbart förvandlas till en annan, ännu mer trögflytande, vätska med mycket lägre densitet".

"Möjligheten att göra nya upptäckter i vatten är helt fascinerande och en stor inspiration för mina fortsatta studier", säger Daniel Mariedahl, Doktorand i kemisk fysik vid Stockholms universitet. "Det är särskilt spännande att den nya informationen har tillhandahållits av röntgenstrålar sedan pionjären inom röntgenstrålning, Wilhelm Conrad Röntgen, själv spekulerade i att vatten kan existera i två olika former och att samspelet mellan dem kan ge upphov till dess märkliga egenskaper”.

"De nya resultaten ger mycket starkt stöd till en bild där vatten vid rumstemperatur inte kan bestämma sig i vilken av de två formerna det ska vara, hög eller låg densitet, vilket resulterar i lokala fluktuationer mellan de två", säger Lars G.M. Pettersson, professor i teoretisk kemisk fysik vid Stockholms universitet. "I ett nötskal:Vatten är ingen komplicerad vätska, men två enkla vätskor med ett komplicerat förhållande."

Dessa nya resultat skapar inte bara en övergripande förståelse för vatten vid olika temperaturer och tryck, men också hur vatten påverkas av salter och biomolekyler viktiga för livet. Dessutom, den ökade förståelsen för vatten kan leda till nya insikter om hur man kan rena och avsalta vatten i framtiden. Detta kommer att vara en av de största utmaningarna för mänskligheten med tanke på de globala klimatförändringarna.