
Ciekła woda w temperaturach znacznie poniżej zera ma dwa różne układy cząsteczek.
Długotrwała teoria głosi, że woda w stanie ciekłym w temperaturach znacznie poniżej zera składa się z dwóch różnych układów cząsteczek, jednej o dużej gęstości i drugiej o małej gęstości. Teraz eksperyment dostarcza nowych dowodów na tę teorię, donoszą naukowcy w Science 18 września.
Zazwyczaj woda zamarza poniżej 0° Celsjusza z powodu zanieczyszczeń, takich jak kurz w wodzie, na którym mogą zarodkować kryształki lodu. Ale czysta woda, która nie ma tych starterów krystalizacji, może pozostać ciekła do znacznie niższych temperatur, co jest zjawiskiem zwanym przechłodzeniem.
Czytaj: Profesor psychologii zapytał studentów, ile waży szklanka z wodą. Odpowiedź jest cenną lekcją życia!
W latach dziewięćdziesiątych grupa fizyków poinformowała, że przy wysokim ciśnieniu i bardzo niskich temperaturach przechłodzona woda rozpada się na dwie odrębne ciecze o różnej gęstości. Pod ciśnieniem atmosferycznym, pod którym miał miejsce nowy eksperyment, przechłodzona woda zachowała pewne ślady tej teorii, powodując przejściowe układy cząsteczek w formacjach o dużej i małej gęstości na małą skalę. Zwykłe ciecze mają tylko jeden taki układ, a nie dwa.
Chociaż eksperymenty wskazywały na ten efekt, naukowcy nie byli w stanie go w pełni określić. „Istnieje region temperatury, w którym [przechłodzona woda] jest bardzo trudna do zbadania z eksperymentów” – mówi Loni Kringle z Pacific Northwest National Laboratory w Richland w stanie Wash.
Między około –113° C a –38° C ciecz krystalizuje niezwykle szybko, nawet jeśli jest całkowicie czysta. To sprawia, że trudno jest wydobyć jej właściwości, ponieważ pomiary muszą być wykonane w ułamku sekundy, zanim woda zamarznie.
Blue link: https://www.tbgtechco.com
Teraz Kringle i współpracownicy dowiedli tę teorię za pomocą eksperymentu, który działa trochę jak film po klatkowy. Ogrzali cienką warstwę wody za pomocą lasera, a następnie szybko schłodzili ciecz. Uderzenie światłem podczerwonym ujawniło, jak cząsteczki wody poruszały się wokół, wskazując na strukturę wody. Następnie zespół powtórzył ten proces, aby zrobić migawki pokazujące, jak ta struktura ewoluowała w czasie, gdy folia była podgrzewana i chłodzona. To pozwoliło naukowcom zmierzyć właściwości cieczy w temperaturach, w których mogłaby szybko skrystalizować, gdyby była przetrzymywana tam przez dłuższy czas.
Naukowcy doszli do wniosku, że zachowanie wody podczas podgrzewania i chłodzenia można wytłumaczyć współistnieniem dwóch różnych układów molekularnych, zgodnie z wcześniejszymi przewidywaniami. Jednak zespół nie zmierzył bezpośrednio gęstości tych struktur, więc nadal potrzeba więcej pracy, aby potwierdzić, czy teoria jest poprawna.
„Połączenie technik jest całkiem nowe i oryginalne” – mówi inżynier chemik Pablo Debenedetti z Uniwersytetu Princeton, który nie był zaangażowany w badanie.
Lepsze zrozumienie dziwnych właściwości przechłodzonej wody może pomóc naukowcom zrozumieć jej dziwactwa. Na przykład, w przeciwieństwie do większości substancji, woda rozszerza się po zamarznięciu, dzięki czemu jest mniej gęsta niż jej płynna postać. To jest powód, dla którego lód unosi się w Twoim kubku i dlaczego znajduje się na szczycie jeziora, pozostawiając pod spodem warstwę cieczy, która może chronić życie wodne w okresie zimowym.
„Woda to bardzo dziwny płyn” – mówi fizyk Greg Kimmel, współautor badania, również z Pacific Northwest National Laboratory. „Ale wszyscy to znają, więc nie zdajemy sobie sprawy, jakie to dziwne”.
Czytaj: Poznań: Wirtualny Teatr Historii „Niepodległa” zagości na Placu Wolności