Vatten kan förbli flytande vid temperaturer långt under 0 grader Celsius. Denna underkylda fas är ett aktuellt fokus för vetenskaplig forskning. En teoretisk modell utvecklad vid São Paulo State University (UNESP) i Brasilien visar att i underkylt vatten, det finns en kritisk punkt vid vilken egenskaper såsom termisk expansion och kompressibilitet uppvisar onormalt beteende.

Leds av Mariano de Souza, en professor vid fysikavdelningen vid UNESP:s Institute of Geosciences and Exact Sciences i Rio Claro, studien stöddes av FAPESP. En artikel av Souza och medarbetare som beskriver studien har publicerats i Vetenskapliga rapporter .

"Vår studie visar att denna andra kritiska punkt är analog med vätske-gas-övergången i vatten vid cirka 374 grader Celsius och vid ett tryck på cirka 22 megapascal, " berättade Souza.

Vätske- och gasfaser samexisterar i vatten vid cirka 374 grader Celsius. Uppkomsten av detta exotiska beteende kan observeras, till exempel, i en tryckkokare. Vid denna tidpunkt, vattnets termodynamiska egenskaper börjar uppvisa onormalt beteende. Av denna anledning, punkten anses vara "kritisk".

När det gäller underkylt vatten, två faser samexisterar också, men båda är flytande. Den ena är tätare och den andra mindre tät. Om systemet fortsätter att kylas på lämpligt sätt under 0 grader Celsius, det kommer en punkt på fasdiagrammet där stabiliteten för de två faserna bryts ner, och vattnet börjar kristallisera. Detta är den andra kritiska punkten, bestäms teoretiskt av den senaste studien.

"Studien visar att denna andra kritiska punkt inträffar i intervallet 180 kelvin [ungefär -93 grader Celsius]. Över denna punkt, flytande vatten kan finnas. Det kallas superkylt vatten, sa Souza.

"Det mest intressanta är att den teoretiska modellen vi utvecklat för vatten kan tillämpas på alla system där två energiskalor existerar samtidigt. T.ex. det gäller ett järnbaserat supraledaresystem där det också finns en nematisk fas [med molekyler orienterade i parallella linjer men inte arrangerade i väldefinierade plan]. Denna teoretiska modell har sitt ursprung i flera experiment med termisk expansion vid låga temperaturer utförda i vårt forskningslaboratorium."

Denna universella modell erhölls med hjälp av en teoretisk förfining av Grüneisen-parametern, uppkallad efter den tyske fysikern Eduard Grüneisen (1877-1949). Enkelt uttryckt, denna parameter beskriver effekterna av variationer i temperatur och tryck på ett kristallgitter.

"Vår analys av Grüneisen- och pseudo-Grüneisen-parametrarna kan tillämpas på en undersökning av kritiskt beteende i vilket system som helst med två energiskalor. Det räcker med att göra lämpliga justeringar av de kritiska parametrarna i enlighet med systemet av intresse, sa Souza.