Drick i denna factoid:vatten är den konstigaste vätskan av alla.

De flesta vätskor har förutsägbara och liknande beteenden. Men till skillnad från andra vätskor, vatten är tätast som en vätska, inte ett fast ämne. Vattenlivet överlever vintern eftersom is flyter istället för att sjunka och expandera till en enorm solid glaciär. Vattnets unika men märkliga egenskaper hjälper till att stödja livet.

I årtionden, forskare har försökt ta reda på vad som är hänt med vattnets konstiga beteende. Svaren verkar ligga i ett länge dolt fönster av extrema temperaturer.

År 2020, forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) gjorde ett stort steg i att förstå fenomenet. Detaljerat i journalen Vetenskap , teamet använde en banbrytande laseruppvärmningsteknik som avslöjade – för första gången – förändringarna i nanoskala som underkylt flytande vatten genomgår mellan -117,7 grader Fahrenheit (190 K) och -18,7 grader Fahrenheit (245 K).

Tekniken drog tillbaka gardinen från detta tidigare höljda temperaturfönster där vattnets konstiga och subtila strukturella förändringar äger rum. PNNL kemisk fysiker Greg Kimmel beskrev denna outforskade vidd som "hela bollspelet för att förstå vattnets struktur."

Det bollspelet är en del av programmet Condensed Phase and Interfacial Molecular Sciences som sponsras av U.S. Department of Energy's Office of Basic Energy Science. Programmet finansierar forskning för att förstå den grundläggande fysiken och kemin i system som är långt ifrån jämvikt, och hur de kommer till jämvikt. I detta fall, det systemet är vätskor – specifikt, vatten.

"Vatten är ett av de viktigaste lösningsmedlen vi har, " sa Kimmel. "Vi försöker bättre förstå hur vatten beter sig vid gränssnitt, i fängelse och i lösningar, hur det kondenserar och kristalliserar, etc."

Konsekvenserna är långtgående, allt från biologiska och fysiska processer relaterade till klimatförändringar, till bättre kemi för energi och nukleär process, till nya läkemedel för att bekämpa sjukdomar.

Forskare inom alla dessa områden kommer snart att gnugga armbågar vid PNNL:s Energy Sciences Center, planerad att öppna i slutet av 2021. Den nya 140, 000 kvadratmeter stor lokal kommer att vara värd för upp till 250 teoretiker, experimentalister, besökande forskare, och supportpersonal, för att inte tala om den senaste vetenskapliga instrumenteringen. Kimmel och hans kollegor ser fram emot att arbeta i samarbetsmiljön samtidigt som de är laserfokuserade på underkylt vatten.

En fråga om jämvikt – eller inte

"När du sänker temperaturen, de flesta flytande molekyler packar ihop mycket tätt och är mycket täta. Men under 39 grader Fahrenheit, vatten är precis tvärtom, " förklarade Loni Kringle, som arbetade som postdoktor med Kimmels team på studierna av underkylt vatten. "Vattenmolekyler bildar tetraedriska bindningar som tar upp mycket utrymme. När vattnet svalnar, den expanderar och minskar i densitet." Tänk på isbitar som dyker upp ur facket.

Forskare förstår denna stora bild mycket väl, men hur går det till i detalj? Inte så mycket.

Vatten som förblir i flytande form långt under den normala fryspunkten – kallat underkylt vatten – är långt ifrån verklig jämvikt, det mest stabila tillståndet. Om dess struktur inte förändras, vattnet är i ett så kallat metastabilt tillstånd. Experimenten av Kimmel och team mätte hastigheten med vilken underkylt vatten slappnar av från sin startkonfiguration till "metastabil jämvikt" innan det kristalliserar.

"Om du vill att ditt material ska uppnå jämvikt eller inte beror på vilka egenskaper du vill att det ska ha, " förklarade Kimmel, med radioaktivt avfall som exempel. "Om du vill fånga och hålla radioaktiva kärnor, du vill behålla ett glas, inte ett kristallint material, som kan växa korn och driva ut orenheter från ytan. Det skulle vara ett problem."

Från rapande avfall till underkylt vatten

Kimmel gick med PNNL 1992 för att studera reaktionerna som är ansvariga för uppbyggnaden och plötslig utsläpp av vätgas från kärnavfall som lagras i underjordiska tankar på DOE:s Hanford Site. Han simulerade "rapning"-processen genom att skjuta elektroner mot tunna vattenfilmer.

Hans arbete överensstämde väl med kollegan PNNL-forskaren Bruce Kays forskning om strukturen och kinetiken för filmer vid gränssnitt, tittar på hur vatten desorberas och energi frigörs över en rad temperaturer. De två forskarna eftersträvade en idé att prova laseruppvärmning för att mäta hastigheten med vilken vatten kristalliserar och diffunderar.

Teorier fanns om reversibla strukturella transformationer innan vatten kristalliserar, vid temperaturer över -171 grader Fahrenheit (160 K) och under -36 grader Fahrenheit (235 K) - men det fanns inga bevis. Tidigare experiment hoppade rakt över spannet.

"Det temperaturintervallet är väldigt svårt att nå och kontrollera experimentellt, och det var vad den pulserade uppvärmningstekniken övervann, " förklarade Kringle. Hon arbetade tillsammans med en annan postdoktor, Wyatt Thornley, att utföra experimenten och hjälpa till att analysera data.

Teamets uppföljande forskning, publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences i april, undersökte "kinetikens nättiga grynighet - hur vattenfilmer slappnar av i två strukturella motiv, " sa Kringle. "Vi tittade på detaljerna i de strukturella förändringarna, gå utöver kvalitativa observationer genom att beräkna skillnaderna när man utgår från höga mot låga temperaturer, sedan jämföra resultaten med modeller i litteraturen."

Nya forskningsriktningar

I framtiden, teamet planerar att arbeta med professor Valeria Molinero vid University of Utah för att få en bättre förståelse för kinetiken och dynamiken som uppstår under experimenten med pulserande uppvärmning. Molinero är expert på molekylär dynamiksimuleringar av vattenhaltiga system.

Samarbeten som detta förkroppsligar visionen bakom Energy Sciences Center. Forskarna funderar redan på de olika riktningarna den nya lokalen och deras pulserande uppvärmningsteknik kan ta dem – och andra.

En idé är att ändra temperaturen på deras experiment innan vattnet når det metastabila jämviktstillståndet. Denna justering skulle tillåta dem att studera hur vatten "minns" och "åldras, " som sett i forskning om underkylt glas.

En annan studieväg är att undersöka "tungt vatten" som innehåller deuterium, en naturligt förekommande isotop av väte. Deuterium innehåller en extra neutron som gör den tyngre än en vanlig väteatom. Att jämföra de kvantskaliga interaktionerna som förekommer i tungt vatten mot vanligt vatten kommer att ge forskarna mer klarhet om vattnets konstiga beteende jämfört med andra vätskor.

Och eftersom pulsad laseruppvärmning lämpar sig för snabba reaktioner, andra forskare har uttryckt intresse för att använda tekniken för kemistudier.

Under tiden, Kringle har sina egna planer.

"Tidsskalorna för vår teknik har varit en begränsning när vi tittar på rent vatten. Jag gjorde ett snabbt utforskande experiment och fann att om vi lägger till andra molekyler till vattnet, som kolmonoxid, vi kan skifta temperaturen där den strukturella övergången sker, ", sa Kringle. "Jag skulle vilja följa upp och se vad som händer i slutet av övergången. Detta kommer att ge information om lösligheten av de andra molekylerna vi lägger till."

Kringle, som också brinner för STEM-utbildning och uppsökande verksamhet, är nu fast anställd forskare, går med Kimmel och Kay i PNNL:s Physical Sciences Division, leds av Wendy Shaw.

"Loni är ett bra exempel på nästa generation av vetenskapsmän och ingenjörer som kommer att bära stafettpinnen av vetenskaplig upptäckt in i framtiden, inte bara på PNNL och det nya Energy Science Center, men vid forskningsinstitutioner över hela landet, " sa Shaw.