Forskare har fångat reversibla förändringar i strukturen hos underkylt vatten för första gången, med hjälp av pulsad laseruppvärmning och infraröd spektroskopi. Kredit:Timothy Holland, Pacific Northwest National Laboratory
Superkylt vatten är egentligen två vätskor i en. Det är slutsatsen som en forskargrupp vid det amerikanska energidepartementets Pacific Northwest National Laboratory nådde efter att ha gjort de första mätningarna någonsin av flytande vatten vid temperaturer som är mycket kallare än dess typiska fryspunkt.
Fyndet, publiceras idag i tidskriften Vetenskap , tillhandahåller sedan länge eftersökta experimentella data för att förklara en del av det bisarra beteende som vatten uppvisar vid extremt kalla temperaturer som finns i yttre rymden och längst ut i jordens egen atmosfär. Tills nu, flytande vatten vid de mest extrema möjliga temperaturerna har varit föremål för konkurrerande teorier och gissningar. Vissa forskare har frågat om det ens är möjligt för vatten att verkligen existera som en vätska vid temperaturer så låga som -117,7 F (190 K) eller om det udda beteendet bara är vatten som omarrangeras på sin oundvikliga väg till ett fast ämne.
Argumentet är viktigt eftersom att förstå vatten, som täcker 71 procent av jordens yta, är avgörande för att förstå hur det reglerar vår miljö, våra kroppar och livet självt.
"Vi visade att flytande vatten vid extremt kalla temperaturer inte bara är relativt stabilt, den finns i två strukturella motiv, " sa Greg Kimmel, en kemisk fysiker vid PNNL. "Fynden förklarar en långvarig kontrovers om huruvida djupt underkylt vatten alltid kristalliserar innan det kan komma i jämvikt. Svaret är:nej."
Underkylt vatten:En berättelse om två vätskor
Man skulle kunna tro att vi förstår vatten vid det här laget. Det är ett av de mest förekommande och mest studerade ämnena på planeten. Men trots dess till synes enkelhet - två väteatomer och en syreatom per molekyl - H 2 O är bedrägligt komplicerat.
Det är förvånansvärt svårt för vatten att frysa precis under smältpunkten:vatten motstår att frysa om det inte har något för att få igång det, som damm eller något annat fast ämne att hålla fast vid. I rent vatten, det krävs en energisk knuff för att knuffa in molekylerna i det speciella arrangemang som behövs för att frysa. Och den expanderar när den fryser, vilket är konstigt beteende jämfört med andra vätskor. Men den konstigheten är det som upprätthåller livet på jorden. Om isbitar sjönk eller vattenånga i atmosfären inte behöll värmen, livet på jorden som vi känner det skulle inte existera.
Vattens konstiga beteende har hållit kemiska fysiker Bruce Kay och Greg Kimmel sysselsatta i mer än 25 år. Nu, de och postdoktorala forskarna Loni Kringle och Wyatt Thornley har åstadkommit en milstolpe som de hoppas ska utöka vår förståelse för de förvrängningar som flytande vattenmolekyler kan göra.
Olika modeller har föreslagits för att förklara vattnets ovanliga egenskaper. De nya data som erhållits med hjälp av en sorts stop-motion "snapshot" av underkylt vatten visar att det kan kondensera till en hög densitet, vätskeliknande struktur. Denna form med högre densitet samexisterar med en struktur med lägre densitet som är mer i linje med den typiska bindningen som förväntas för vatten. Andelen högdensitetsvätska minskar snabbt när temperaturen går från -18,7 F (245 K) till -117,7 F (190 K), stödjande förutsägelser av "blandnings"-modeller för underkylt vatten.
Kringle och Thornley använde infraröd spektroskopi för att spionera på vattenmolekylerna som fångades i ett slags stop-motion när en tunn isfilm fick en laser, skapa ett underkylt flytande vatten under några flyktiga nanosekunder.
"En viktig observation är att alla strukturella förändringar var reversibla och reproducerbara, sa Kringle, som utförde många av experimenten.
Graupel:det är superkylt vatten!
Denna forskning kan hjälpa till att förklara Graupel, de fluffiga pellets som ibland faller under kyliga stormar. Graupel bildas när en snöflinga interagerar med underkylt flytande vatten i den övre atmosfären.
"Flytande vatten i den övre atmosfären är djupt kylt, säger Kay, en PNNL-labbstipendiat och expert på vattnets fysik. "När den möter en snöflinga fryser den snabbt och sedan under de rätta förhållandena, faller till jorden. Det är verkligen den enda gången de flesta människor kommer att uppleva effekterna av underkylt vatten."
Dessa studier kan också hjälpa till att förstå hur flytande vatten kan existera på mycket kalla planeter - Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus – i vårt solsystem, och vidare. Superkyld vattenånga skapar också de vackra svansarna som följer efter kometer.
Vattenmolekyl gymnastik
Här på jorden, en bättre förståelse för de vridningar som vattnet kan utföra när det placeras i en trång situation, såsom en enda vattenmolekyl inklämd i ett protein, kan hjälpa forskare att designa nya läkemedel.
"Det finns inte mycket utrymme för vattenmolekylerna som omger enskilda proteiner, ", sa Kringle. "Denna forskning kan belysa hur flytande vatten beter sig i tätt packade miljöer."
Thornley noterade att "i framtida studier, vi kan använda den här nya tekniken för att följa de molekylära omarrangemang som ligger bakom ett brett spektrum av kemiska reaktioner."
Det finns fortfarande mycket att lära, och dessa mätningar kommer att hjälpa till att leda vägen till en bättre förståelse av den mest rikliga livgivande vätskan på jorden.
