Figur 1. (vänster) Superkyldt vatten fryses med stötar (Copyright:Takeshi Fujino, KOWA Corporation, Niigata, Japan) (Höger) Ögonblicksbild av superkyldt vatten beräknat från våra datasimuleringar (rött:syre, vit:väte, gul bindning:vätebindning). Upphovsman:Osaka University
När Einstein arbetade mot sin doktorsexamen, han var bland de första som förklarade hur partiklar uppvisar slumpmässiga rörelser i vätskor. Diffusion är en viktig fysisk process och Stokes -Einstein -förhållandet beskriver hur partiklar diffunderar genom en vätska baserat på den hydrodynamiska teorin. Men mystiskt vid låga temperaturer under smälttemperaturen, något förändras i underkylda vätskor och det resulterande mycket viskösa glasartade beteendet kan inte längre förklaras av det enkla Stokes -Einstein -förhållandet.
Nu, två forskare från Osaka University och Nagoya University har simulerat superkyldt vatten i oöverträffad detalj för att förklara det avvikande beteendet vid låga temperaturer. De publicerade nyligen sina fynd i Vetenskapliga framsteg .
"De flesta vätskor följer Stokes -Einstein -ekvationen över ett brett temperaturintervall, men några oväntade förändringar i beteende finns i underkyldt vatten och andra glasartade material, "medförfattare Kang Kim, från Osaka University, säger. "Fördelning av Stokes - Einsteins beteende antyder någon form av avvikande molekylrörelser även i flytande tillstånd, men det är inte klart vad dessa beteenden är. "
Det enkla Stokes -Einstein -förhållandet bygger på argument om hur molekyler rör sig slumpmässigt på mikroskopisk nivå. Men i underkyldt vatten, molekyler börjar bromsa oregelbundet. Forskarna visade genom simuleringar att vissa delar av vattnet påverkas mer än andra, bilda vätebindningar heterogent med partiell stelning.
Vattenmolekyler rör sig genom det viskösa, avkylda vattnet i hopp som är relaterade till brytning av vätebindningar. Den oregelbundna tidpunkten för denna typ av rörelse står inte för Stokes -Einstein -ekvationen.
Figur 2. I det avkylda vattnet, två vätebundna vattenmolekyler (rött:syre, vit:väte) uppvisar hopprörelser med vätebindningsbrott. De andra vattenmolekylerna är färgade av ljusblå. Vätebindningarna är färgade av gula. Upphovsman:Osaka University
Deras simuleringar gjorde det möjligt för dem att undersöka hur det superkylda vattenvätebindningsnätet förändrades över tiden. Deras modellering visade tydligt att en intermittent vätebindningsbrytningstid bidrog till nedbrytningen av Stokes - Einsteins beteende.
"Det finns intressanta fysiska konsekvenser av dessa fynd eftersom Stokes -Einstein -kränkningen betraktas som en hydrodynamisk anomali hos många glasartade materialsystem, "Kim säger." Våra simuleringar hjälper till att svara på frågor om vad som händer i rent underkyldt vatten och kan också hjälpa till att förklara andra dynamiska beteenden i andra tekniskt viktiga glasartade material. "
