En forskare vid Institutet för molekylär vetenskap har publicerat en studie som ger insikt i det förbryllande fenomenet dynamisk avmattning i underkylt vatten, ett viktigt steg mot att förstå glasövergången i vätskor.
Studien, "Unraveling the dynamic slowdown in supercooled water:The role of dynamic disorder in jump motions," utforskar de mikroskopiska mekanismerna som styr vattnets dynamiska beteende när det kyls under sin fryspunkt utan att bilda is. Studien publiceras i The Journal of Chemical Physics .
När vattnet är underkylt uppvisar det en betydande dynamisk avmattning utan några uppenbara strukturella förändringar. I denna forskning studeras hoppdynamiken hos vattenmolekyler, som är elementära processer för strukturella förändringar, med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik. Resultaten visar att denna dynamik avviker från den förväntade Poisson-statistiken på grund av dynamisk störning när temperaturen sjunker.
Dynamisk störning hänvisar till konkurrensen mellan långsamma variabler och molekylers hopprörelser. Forskaren identifierade förskjutningen av den fjärde närmaste syreatomen i en hoppande molekyl som den långsamma variabeln som konkurrerar med hopprörelsen vid lägre temperaturer. Denna förskjutning äger rum i en fluktuerande miljö bortom det första hydratiseringsskalet och påverkar djupgående hoppdynamiken.
När temperaturen sjunker blir vattenmolekylernas dynamik allt långsammare och intermittent, eftersom molekylerna fångas i utvidgade, stabila domäner med låg densitet. Med ytterligare kylning blir interaktionerna mellan molekyler mer samarbetsvilliga, vilket ökar hoppdynamikens komplexitet och dimensionalitet.
Denna forskning fördjupar vår förståelse av underkylt vatten och ger en grund för framtida studier av den molekylära dynamiken hos vätskor som närmar sig glasövergångar. Glasövergångsprocesser är relevanta i ett brett spektrum av applikationer.
Därför kommer tillämpningen av metoderna som utvecklats i denna studie att ge insikt i hur långsamma rörelser av olika material kan leda till glasövergångar. Dessutom banar denna studie väg för framtida forskning för att belysa den komplexa dynamiken i andra system, såsom proteiner.
