Vatten, alltid viktigt, alltid kontroversiell, alltid fascinerande, förblir överraskande. För ett ämne som är allestädes närvarande på jorden, tre fjärdedelar av vår planet är täckt av den, forskare kan fortfarande bli överraskade av några av dess egenskaper, enligt Arizona State University kemist C. Austen Angell.

Angell, en Regentsprofessor vid ASU:s School of Molecular Sciences, har tillbringat en stor del av sin framstående karriär med att spåra upp några av vattnets mer nyfikna fysiska egenskaper. I en ny forskning som just publicerats i Vetenskap (9 mars), Angell och kollegor från University of Amsterdam har, för första gången, observerade en av de mer spännande egenskaperna som förutspås av vattenteoretiker - att, vid tillräcklig superkylning och under specifika förhållanden kommer den plötsligt att byta från en vätska till en annan. Den nya vätskan är fortfarande vatten men nu är den av lägre densitet och med ett annat arrangemang av de vätebundna molekylerna med starkare bindning som gör den till en mer viskös vätska.

"Det har ingenting att göra med" poly-vatten, '"Angell tillägger att han påminner om ett vetenskapligt fiasko för många decennier sedan. Det nya fenomenet är en vätske-vätskefasövergång, och fram till nu hade det bara setts i datasimuleringar av vattenmodeller.

Problemet med att observera detta fenomen direkt i verkligt vatten är att, strax innan teorin säger att det borde hända, det verkliga vattnet kristalliserar plötsligt till is. Detta har kallats "kristallisationsridån" och det höll framsteg när det gäller att förstå vattenfysik och vatten i biologi i årtionden.

"Domänen mellan denna kristalliseringstemperatur och den mycket lägre temperatur vid vilken glasvatten (bildat genom avsättning av vattenmolekyler från ångan) kristalliserar under uppvärmning har varit känt som ett 'ingenmansland', "" Sa Angell. "Vi hittade ett sätt att dra åt sidan" kristallisationsridån "tillräckligt för att se vad som händer bakom - eller mer korrekt, under det, "Sa Angell.

Fasövergångar av vatten är viktiga att förstå för en mängd tillämpningar. Till exempel, den välkända och destruktiva höjningen av betongvägar och gångstigar på vintern beror på fasövergången från vatten till is under betongen. Fasövergången mellan flytande tillstånd, beskrivs i det aktuella arbetet, har mycket gemensamt med övergången till is men det sker vid en mycket lägre temperatur, cirka -90 C (-130 F), och bara under superkylda förhållanden så det kommer sannolikt att förbli mestadels en vetenskaplig nyfikenhet under överskådlig framtid.

Angell förklarade att han och hans forskningsassistent Zuofeng Zhao för ett par år sedan, studerade det termiska beteendet hos en speciell typ av "idealisk" vattenlösning som de hade använt för att utforska vikning och utveckling av globulära proteiner. De ville observera lösningarnas förmåga att superkyla och sedan förglasa. Söker gränsen för den glasartade domänen, de tillsatte extra vatten för att öka sannolikheten för iskristallisation och fann att i stället för att slutligen utvecklas värme som iskristalliseras (lämnar en kvarvarande, fryst lösning) som normalt finns vid kylning av saltlösningar, det avgav faktiskt värme för att bilda en ny vätskefas.

Den nya vätskan var mycket mer viskös, kanske till och med glasartad. Vidare, genom att vända riktningen för temperaturförändringen, Angell och Zhao fann att de kunde omvandla den nya fasen tillbaka till den ursprungliga lösningen innan någon is skulle börja kristallisera.

"Denna observation, publicerad i Angewandte Chemie, väckte stort intresse men det fanns ingen strukturell information för att förklara vad som hände, "Sa Angell. Det förändrades när Angell besökte universitetet i Amsterdam för två somrar sedan, och träffade Sander Woutersen, en specialist på infraröd spektroskopi som blev mycket intresserad av fenomenets strukturella aspekter.

I vetenskapspapperet, laget med Woutersen, hans elev Michiel Hilbers och hans beräkningskollega Bernd Ensing har nu visat att strukturerna som är involverade i vätske -vätskeövergången har samma spektroskopiska signaturer - och samma vätebindningsmönster - som ses i de två kända glasformiga isformerna som produceras av mödosamma alternativa processer (hög- och lågdensitets amorfa fasta faser av vatten).

"Vätske-vätskeövergången som vi hade funnit sågs nu vara den" levande analogen "för förändringen mellan två glasartade tillstånd av rent vatten som hade rapporterats 1994, med rent tryck som drivkraft, "Förklarade Angell.

Resultaten tycks "ge direkt bevis för förekomsten av en vätske-vätskeövergång bakom" kristallisationsridån "i rent vatten, "Sa Woutersen, tillägger att fynden ger en allmän förklaring till de termodynamiska avvikelserna i flytande vatten, och en validering för den "andra kritiska punktteorin" som Gene Stanleys grupp lade fram för att förklara dessa avvikelser.

"Detta beteende är nästan unikt bland de otaliga kända molekylära vätskor, "Angell tillagd." Bara några få andra ämnen tros uppvisa det, men ingen har bevisats hittills. "