Kredit:CC0 Public Domain
En ny typ av "fasövergång" i vatten föreslogs först för 30 år sedan i en studie av forskare från Boston University. Eftersom övergången har förutspåtts inträffa vid underkylda förhållanden, har det dock varit en utmaning att bekräfta dess existens. Det beror på att vid dessa låga temperaturer vill vatten verkligen inte vara en vätska, istället vill det snabbt bli is. På grund av dess dolda status är mycket fortfarande okänt om denna vätske-vätskefasövergång, till skillnad från de vardagliga exemplen på fasövergångar i vatten mellan en fast fas eller ångfas och en flytande fas.
Detta nya bevis, publicerat i Nature Physics , representerar ett betydande steg framåt för att bekräfta idén om en vätske-vätskefasövergång som först föreslogs 1992. Francesco Sciortino, nu professor vid Sapienza Università di Roma, var medlem av det ursprungliga forskarteamet vid Boston University och är också en co-medarbetare. -författare till denna uppsats.
Teamet har använt datorsimuleringar för att förklara vilka egenskaper som skiljer de två vätskorna åt på mikroskopisk nivå. De fann att vattenmolekylerna i vätskan med hög densitet bildar arrangemang som anses vara "topologiskt komplexa", såsom en trefoil-knut (tänk på molekylerna arrangerade på ett sådant sätt att de liknar en kringla) eller en Hopf-länk ( tänk på två länkar i en stålkedja). Molekylerna i högdensitetsvätskan sägs alltså vara intrasslade.
Däremot bildar molekylerna i lågdensitetsvätskan för det mesta enkla ringar, och därför är molekylerna i lågdensitetsvätskan otrasslade.
Andreas Neophytou, Ph.D. student vid University of Birmingham med Dr. Dwaipayan Chakrabarti, är huvudförfattare på tidningen. Han säger, "Denna insikt har gett oss en helt ny syn på vad som nu är ett 30 år gammalt forskningsproblem och kommer förhoppningsvis bara att vara början."
Forskarna använde en kolloidal modell av vatten i sin simulering, och sedan två mycket använda molekylära modeller av vatten. Kolloider är partiklar som kan vara tusen gånger större än en enda vattenmolekyl. På grund av sin relativt större storlek, och därmed långsammare rörelser, används kolloider för att observera och förstå fysikaliska fenomen som också uppträder på de mycket mindre atomära och molekylära längdskalorna.
Termodynamiska anomalier och LLCP i kolloidalt vatten. a , Schematisk beskrivning av den hierarkiska självmonteringen av triblockiga partiklar som leder till en kolloidal modell av vatten. De två lapparna, märkta A och B, är av olika storlek och bildar bindningar av olika styrka. A-lapparna (röda) bildar starkare bindningar än B-lapparna (blå) för att koda tvåstegsmontering vid kylning. b , Utvecklingen av den reducerade densiteten ρ ⋆ som en funktion av den reducerade temperaturen T ⋆ för olika reducerade tryck P ⋆ , där P ⋆ × 10 3 = 5, 6, 7, 7,5, 8,5, 9, 10, 12, 14 och 16. Pilen anger riktningen för ökande P ⋆ . Insättningen markerar densitetsmaximum för P ⋆ × 10 3 = 5, 6, 7 och 7,5. c , Utvecklingen av den reducerade termiska expansionskoefficienten (α⋆PαP⋆{\alpha }_{P}^{\star}), isotermisk kompressibilitet (κ⋆TκT⋆{\kappa }_{T}^{\star}) och isobarisk värmekapacitet (c⋆PcP⋆{c}_{P}^{\star}) som funktioner av T ⋆ på P ⋆ = 0,0085 (nära det kritiska trycket). Felstaplar representerar standardavvikelsen över fem uppsättningar av Monte Carlo-banor, var och en på 1 × 10 8 cykler. d , Beroendet av ρ ⋆ och andelen BB-bindningar som bildas (f b ) på P ⋆ vid T ⋆ = 0,105 och T ⋆ = 0,112. e , Fördelningen av orderparametern M för kolloidalt vatten (blå symboler), beräknat med hjälp av histogramomvägning, med T ⋆ ≈ 0,1075, P ⋆ ≈ 0,0082 och s ≈ 0,627, jämfört med motsvarande 3D Ising-universalfördelning (heldragen röd linje). Kredit:Naturfysik (2022). DOI:10.1038/s41567-022-01698-6
Dr. Chakrabarti, en medförfattare, säger:"Denna kolloidala modell av vatten ger ett förstoringsglas till molekylärt vatten och gör det möjligt för oss att reda ut vattnets hemligheter angående sagan om två vätskor."
Professor Sciortino säger:"I det här arbetet föreslår vi för första gången en vy av vätske-vätskefasövergången baserad på idéer om nätverksintrassling. Jag är säker på att detta arbete kommer att inspirera till ny teoretisk modellering baserad på topologiska koncept."
Teamet förväntar sig att modellen de har tagit fram kommer att bana väg för nya experiment som kommer att validera teorin och utvidga konceptet med "trasslade" vätskor till andra vätskor som kisel.
Pablo Debenedetti, professor i kemisk och biologisk teknik vid Princeton University i USA och en världsledande expert inom detta forskningsområde, säger:"Detta vackra beräkningsarbete avslöjar den topologiska grunden bakom förekomsten av olika vätskefaser i samma nätverk -bildande substans.
"Genom att göra det berikar och fördjupar det avsevärt vår förståelse av ett fenomen som rikligt med experimentella och beräkningsmässiga bevis alltmer tyder på är central för fysiken för den viktigaste av vätskorna:vatten."
Christian Micheletti, professor vid International School for Advanced Studies i Trieste, Italien, vars aktuella forskningsintresse ligger i att förstå inverkan av intrassling, särskilt knutar och länkar, på biopolymerernas statiska, kinetik och funktionalitet, säger, "Med detta enda dokument , gjorde Neophytou et al flera genombrott som kommer att bli följdriktiga inom olika vetenskapliga områden.
"För det första öppnar deras eleganta och experimentellt mottagliga kolloidala modell för vatten helt nya perspektiv för storskaliga studier av vätskor. Utöver detta ger de mycket starka bevis för att fasövergångar som kan vara svårfångade för traditionell analys av vätskors lokala struktur istället är plockas lätt upp genom att spåra knutarna och länkarna i vätskans bindningsnätverk.
"Idén att söka efter sådana förvecklingar i det något abstrakta utrymmet av banor som löper längs övergående molekylära bindningar är mycket kraftfull, och jag förväntar mig att den kommer att bli allmänt antagen för att studera komplexa molekylära system."
Sciortino säger, "Vatten, den ena efter den andra, avslöjar sina hemligheter. Dröm hur vackert det skulle vara om vi kunde titta in i vätskan och observera dansen av vattenmolekylerna, hur de flimrar och hur de byter partners, omstrukturering vätebindningsnätverket. Förverkligandet av den kolloidala modellen för vatten som vi föreslår kan förverkliga denna dröm." + Utforska vidare
