Flytende vann i et ukjent, ingen manns land


Illustrasjon av superkjølte vanndråper midtveis gjennom et vakuumkammer, hvor de bombarderes med intense røntgenpulser. Røntgenstrålene sprer seg når de passerer gjennom vannet, og gir verdifull informasjon om dens molekylære struktur. Ved å zappe små vanndråper med røntgenpulser har forskerne fått sitt første glimt i oppførselen til superkjølt vann i et vanskelig å nå "ingen manns land" med temperaturer under -41 grader C. Forstå vann und

Illustrasjon av superkjølte vanndråper midtveis gjennom et vakuumkammer, hvor de bombarderes med intense røntgenpulser. Røntgenstrålene sprer seg når de passerer gjennom vannet, og gir verdifull informasjon om dens molekylære struktur.

Ved å zappe små vanndråper med røntgenpulser har forskerne fått sitt første glimt i oppførselen til superkjølt vann i et vanskelig å nå "ingen manns land" med temperaturer under -41 grader C. Forstå vann under normal frysing punkt på 0 grader C har vært en utfordring fordi det må håndteres med stor forsiktighet for å holde den i flytende form. De resulterende innsiktene kan bidra til å avgjøre en debatt mellom fysikere over vannets grunnleggende egenskaper, blant annet om det kan ta på en fjerde stat utover standard tre av fast, flytende og gass.
Vann har merkelige egenskaper i motsetning til de av nesten hvilken som helst annen væske, for eksempel å ekspandere i stedet for å trekke seg på frysing, og det blir mer bisarrt da det blir kaldere. Faktisk starter vannets rariteter ved de varmere temperaturene som passer for det meste av livet på jorden, forteller Stanford Universitets fotonforsker Anders Nilsson, senior forfatter av et nytt papir som beskriver det rike vannet. "Vi ønsket å gå inn i superkjøling, " sier han, "for det er her alt forsterkes i denne veldig rare oppførelsen, og vi må forstå hvor denne merkelige oppførselen kommer fra."
Fysikere har skapt forkjølt vann før, men aldri så kaldt og aldri for lenge nok til å studere det tett . For å gjøre dette spranget måtte Nilssons lag bevege seg veldig fort. Ved hjelp av Stanfords SLAC National Accelerator Laboratory fyrte de små vanndråper, hver bredde av et menneskehår, inn i et vakuumkammer hvor de begynte å fordampe og avkjøle med en hastighet på rundt 100 000 grader C per sekund. Teamet sprengte deretter disse superkjølte dråpene i midten med utbrudd fra en røntgen laser. Da røntgenstrålene passerte gjennom vannet, spredte de seg og maler et detaljert bilde av vannets molekylære struktur. Hele prosessen tok bare noen millisekunder per dråpe, men det var lenge nok for Nilssons lag å observere dem før de hadde herdet seg til is. Forsøket er detaljert i Nature's 19 juni-utgaven (er en del av Nature Publishing Group).
Denne ultrafast røntgenteknikken representerer et gjennombrudd. "Jeg trodde det var fantastisk, " sier Pablo G. Debenedetti, professor ved Princeton University som studerer superkjølt vann og ikke er tilknyttet prosjektet. "De var i stand til å forlenge temperaturområdet over hvilket du kan studere flytende vann." Tidligere eksperimenter hadde vært i stand til å studere flytende vann ned til -41 grader C, men den nye studien presset den grensen ned til -46. Håpet er at å utvide denne grensen vil bidra til å løse en debatt om hvordan vann oppfører seg når det blir så kaldt.
Debatten er over eksistensen av et "kritisk punkt": en bestemt temperatur under hvilken vann ville ha en ekstra fase av materie utover de vanlige tre (fast, væske og gass). Under den kritiske temperaturen, slik at teorien går, vil vann ha to forskjellige væskeformater av materie, hver med forskjellige fysiske egenskaper som tetthet og komprimerbarhet. Avhengig av omgivelsestrykket kan superkjølt vann være i en av disse tilstandene.
Frem til nå har sofistikerte datamodeller den eneste måten å studere vann under -41 grader C, men de var ikke nøyaktige nok til å forutsi nøyaktig hvordan ekte vann oppfører seg. Noen av modellene forutser eksistensen av et kritisk punkt, mens andre ikke gjør det. Den nye teknikken har ennå ikke løst debatten, men den skal gi forskere den eksperimentelle fyrkraften de trenger for å bevise en gang for alle om det kritiske punktet eksisterer.
Svaret vil ikke bare lære oss om superkjølt vann. Hvis det kritiske punktet eksisterer, vil det forklare mye om hvordan vann oppfører seg under mer vanlige forhold. Selv om vann ved romtemperatur og trykk eksisterer som en enkelt væsketilstand, kan små molekylklynger samle seg i midlertidige strukturer som virker som de to superkjølte væskeformene. "Vannet vet egentlig ikke hva det vil være. Det er slags å danse rundt lokalt i små områder av begge disse to, sier Nilsson, "og derfor virker vann så rar, ifølge teorien."