Przechłodzona woda to tak naprawdę dwie ciecze w jednej – wykazali naukowcy z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Wykonali oni szczegółowe badania wody, która zachowuje stan ciekły znacznie poniżej temperatury zamarzania. Okazało się, że w wodzie takiej istnieją dwie różne struktury.

Odkrycie pozwala wyjaśnić niektóre dziwne właściwości, jakie wykazuje woda w niezwykle niskich temperaturach, jakie panują w przestrzeni kosmicznej czy na krawędziach atmosfery. Dotychczas istniały różne teorie na ten temat, a naukowcy spierali się co do niezwykłych właściwości przechłodzonej wody. Teraz otrzymali pierwsze eksperymentalnie potwierdzone dane odnośnie jej struktury. Nie są to spory czysto akademickie, gdyż zrozumienie wody, która pokrywa 71% powierzchni Ziemi, jest kluczowe dla zrozumienia, w jaki sposób reguluje ono środowisko naturalne, nasze organizmy i jak wpływa na samo życie.

Wykazaliśmy, że ciekła woda w ekstremalnie niskich temperaturach jest nie tylko dość stabilna, ale istnieje też w dwóch stanach strukturalnych. Odkrycie to pozwala na rozstrzygnięcie sporu dotyczącego tego, czy mocno przechłodzona woda zawsze krystalizuje przed osiągnięciem stanu równowagi. Odpowiedź brzmi: nie, mówi Greg Kimmel z PNNL. Dotychczas naukowcy sprzeczali się np. o to, czy woda schłodzona do temperatury -83 stopni Celsjusza rzeczywiście może istnieć w stanie ciekłym i czy jej dziwne właściwości nie wynikają ze zmian zachodzących przed krzepnięciem.

Woda, pomimo swojej prostej budowy, jest bardzo skomplikowaną cieczą. Na przykład bardzo trudno jest zamrozić wodę w temperaturze nieco poniżej temperatury topnienia. Woda opiera się zamarznięciu. Potrzebuje ośrodka, wokół którego zamarznie, jak np. fragment ciała stałego. Woda rozszerza się podczas zamarzania, co jest zadziwiającym zachowaniem w porównaniu z innymi cieczami. Jenak to dzięki temu na Ziemi może istnieć życie w znanej nam postaci. Gdyby woda kurczyła się zamarzając i opadała na dno lub gdyby para wodna w atmosferze nie zatrzymywała ciepła, powstanie takiego życia jak obecnie byłoby niemożliwe.

Bruce Kay i Greg Kimmel z PNNL od 25 lat badają niezwykłe właściwości wody. Teraz, przy pomocy Loni Kringle i Wyatta Thornleya dokonali przełomowych badań, które lepiej pozwalają zrozumieć zachowanie molekuł wody.

Wykazały one, że w mocno przechłodzonej wodzie dochodzi do kondensacji w gęstą podobną do płynu strukturę. Istnieje ona równocześnie z mniej gęstą strukturą, w której wiązania bardziej przypominają te spotykane w wodzie. Proporcja gęstej struktury gwałtownie obniża się wraz ze spadkiem temperatury z -28 do -83 stopni Celsjusza. Naukowcy wykorzystali spektroskopię w podczerwieni do obserwowania molekuł wody i wykonania obrazowania na różnych etapach badań. Kluczowy jest fakt, że wszystkie te zmiany strukturalne były odwracalne i powtarzalne, mówi Kringle.

Badania pozwalają lepiej zrozumieć zjawisko krupy śnieżnej, która czasem opada na ziemię. Tworzy się ona gdy płatki śniegu stykają się w górnych partiach atmosfery z przechłodzoną wodą. Ciekła woda a górnych partiach atmosfery jest silnie przechłodzona. Gdy dochodzi do jej kontaktu z płatkiem śniegu, gwałtownie zamarza i w odpowiednich warunkach opada na ziemię. To jedyny raz, gdy większość ludzi ma do czynienia z przechłodzoną wodą, mówi Bruce Kay.

Dzięki pracy amerykańskich uczonych można będzie lepiej zrozumieć, jak ciekła woda może istnieć na bardzo zimnych planetach. Pomoże też w badaniu warkoczy komet, w które w znacznej mierze składają się z przechłodzonej wody.

Praca Kaya i Kimmela znajdzie też praktyczne zastosowanie. Pomaga ona bowiem lepiej zrozumieć np. zachowanie molekuł wody otaczających proteiny, co pomoże w pracach nad nowymi lekami. Woda otaczająca indywidualne proteiny nie ma zbyt dużo miejsca. Nasze badania mogą pomóc w zrozumieniu, jak woda zachowuje się w tak ciasnych środowiskach, mówi Kringle. Thornley dodaje zaś, że podczas przyszłych badań możemy wykorzystać opracowaną przez nas technikę do śledzenia zmian zachodzących podczas różnych reakcji chemicznych.

Więcej o badaniach można przeczytać w artykule Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K.

 

Ciecz przechłodzona w WikiPedii – ciało istniejące w stanie ciekłym poniżej temperatury krzepnięcia.

Płyn przechodzący przez jego standardowy punkt zamarzania krystalizuje na powierzchni kryształu lub na zarodku krystalizacji, wokół którego może powstać struktura krystaliczna tworząca ciało stałe. Jeśli nie ma takich warunków, faza ciekła może być utrzymana aż do temperatury, w której występuje krystalizacja jednorodna (zarodkowanie homogeniczne), która nie potrzebuje zarodków krystalizacji. Jeśli krystalizacja nie zajdzie do temperatury zeszklenia, ciało przechodzi w ciało amorficzne.

Ciecz przechłodzoną można otrzymać przez:

  • bardzo powolne ochładzanie czystej cieczy w naczyniu o gładkich ściankach, przy braku drgań i wstrząsów mechanicznych
  • bardzo szybkie ochładzanie (tak szybkie, że substancja „nie zdąży” skrystalizować) – w ten sposób można uzyskać ciecz przechłodzoną, nawet gdy jest ona silnie zanieczyszczona.

Ciecz przechłodzona jest z termodynamicznego punktu widzenia stanem metastabilnym, to znaczy dla małych zaburzeń stabilnym, ale dla większych niestabilnym. Aby doprowadzić do jej zestalenia, wystarczy zwykle zainicjować w dowolny sposób proces krystalizacji. Może to być na przykład:

  • wrzucenie do cieczy zarodków krystalizacji (zanieczyszczenia stałego lub małego kryształka tej samej substancji)
  • wstrząśnięcie naczyniem z cieczą
  • podziałanie na ciecz dźwiękiem
  • podziałanie na ciecz impulsem elektrycznym.

W wyniku nagłej krystalizacji cieczy przechłodzonej następuje wydzielenie ciepła i podwyższenie temperatury substancji.

Niektóre związki chemiczne o wysokich masach cząsteczkowych lub kształtach utrudniających krzepnięcie jest bardzo trudno skrystalizować i dlatego występują one najczęściej w postaci amorficznej, którą – ze względu na brak wewnętrznego uporządkowania typowego dla krystalicznych ciał stałych – czasem nazywa się cieczą przechłodzoną. Nazwa ta jest nieprawidłowa, gdyż substancja ta nie ma innych cech cieczy. Do tego rodzaju związków zalicza się polimery i biopolimery oraz tłuszcze, węglowodany i węglowodory o rozgałęzionej strukturze.

Podobny mechanizm „blokowania” krystalizacji jest też zasadą istnienia kryształów ciekłych i condis.

 

Źródło: Pacific Northwest National Laboratory
5 2 votes
Article Rating