Przechłodzona woda to dwie ciecze w jednej. Nowe badania pomagają lepiej zrozumieć wodę

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 istnie 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.

woda przechłodzona woda ciecz