Neste 46 asteessa alle nollan

Röntgenlaseri tutkii upotetun veden rakennetta

Taiteellinen esitys LCLS-röntgensädelaserista, joka osuu jäähdytettyyn vesipisaraan. © Greg Stewart / SLAC
lukea ääneen

Voimakkaasti jäähdytetty, mutta ei vielä jäädytetty: Erittäin puhdas vesi ei muutu heti jääksi edes äärimmäisessä kylmässä. Kansainvälinen tutkimusryhmä on käyttänyt röntgenlasertulpan ultrahortsisäteilyä tutkiakseen, kuinka nestemäisen veden rakenne muuttaa lämpötiloja huomattavasti jäätymisen alapuolelle. Tutkijat toivovat käyttävänsä tätä tutkimusperiaatetta ymmärtääksesi pian veden kaikki ainutlaatuiset ominaisuudet.

Vesi jäätyy jäähän nolla celsiusasteessa - se on nyrkkisääntö. Mutta elintärkeä neste ei aina pidä kiinni siitä. Vedellä on "melko outoja ominaisuuksia" verrattuna muihin nesteisiin, kuten Anders Nilsson Yhdysvaltain kiihdytinkeskuksesta SLAC sanoo. Tähän sisältyy esimerkiksi ns. Tiheysanomalia: se on syy, miksi kiinteän veden tiheys on alhaisempi kuin nesteen. Siksi jää kelluu jäätyneen järven pinnalla sen sijaan, että se uppoutuisi pohjaan. Suhteellisen korkea kiehumislämpötila, korkea pintajännitys ja valtava lämpökapasiteetti ovat veden muita merkittäviä ominaisuuksia.

Erityisen outoa on jäätyvän veden käyttäytyminen: Erittäin puhdas vesi, jossa ei ole kiteytymistä, voi pysyä nestemäisenä, kunnes selvästi alle jäätymispisteen on nolla astetta - fyysikot puhuvat ylijäähdytetystä vedestä. Se, muuttuuko erittäin kylmän, mutta nestemäisen veden rakenne ja miten, oli kuitenkin aiemmin tuntematon. "Ei ole koskaan ollut mahdollista saada luotettavaa rakenteellista tietoa nestemäisestä vedestä, joka on alle miinus 38 astetta Celsius-astetta", kertoi kirjoittaja Anton Barty vapaaelektronilaser-tiedekeskuksesta (CFEL). Koska niin kylmissä lämpötiloissa edesjäähdytetty vesi jää nestemäiseksi vain pienissä sekunnin murto-osissa ennen kuin se yhtäkkiä jäätyy.

Työnnä kenenkään maahan

Mutta lämpötila-alue, joka on välillä 38 astetta - miinus 115 astetta, on tutkijoille erityisen mielenkiintoinen: Tällä alueella veden muoto on lasinen, ei-kiteinen. Kokeiluja varten tämä alue oli toistaiseksi saavuttamaton "kenenkään maan". SLAC-tutkimusvalonlähde LCLS auttaa tässä: Tämän lähteen erittäin kirkkailla röntgensädelaskuilla, jotka kestävät vain 50 miljardia sekuntia, tutkijat voivat tutkia voimakkaasti jäähdytetyn veden sisärakennetta jopa 46 asteessa muutamassa millisekunnissa lämpötiloissa ennen spontaania jäätymistä.

He rakensivat erityisen injektorin, joka ampuu pieniä vesipisaroita tyhjiökammioon. Tyhjiössä vesi haihtuu pisaran pinnalta, ja haihduttava jäähdytys jäähdyttää jäljellä olevan pisaran. Näitä pisaroita pommitetaan sitten röntgenkuvauksella. Ajan myötä, kunnes salama osuu vesipisaraan, tutkijat voivat erityisesti hallita veden lämpötilaa. He pystyivät mittaamaan miinus miinus 46 asteeseen tässä kokeessa. "Saimme vihdoin päästä läpi kylmän alueen, joka antaa meille uutta tietoa veden ainutlaatuisuudesta", Nilsson sanoo. näyttö

Vesimolekyylit (vasen) muodostavat nopeasti pyramidimaiset rakenteet upotettuun veteen (oikea). St Greg Stewart / SLAC

Yhä enemmän sisäistä järjestystä

"Mitä kylmempi pisara oli, sitä enemmän jääkiteitä oli jo niissä. Merkittävä osa pysyi kuitenkin täysin nestemäisenä ", sanoo Barty ja lisää:" Tuloksemme osoittavat, että paikallisesti alijäähdytetty vesi saa yhä enemmän sisäistä järjestystä. "Molekyylit Joten ne muodostavat enemmän ja enemmän järjestettyjä rakenteita sen sijaan, että liikkuvat vapaasti kuten tyypillisessä nesteessä. Tämä muutos on jatkuvaa ja kiihtyy voimakkaasti matalissa lämpötiloissa. Nykyisissä malleissa oletetaan, että upotetun veden tiheys muuttuu merkittävästi tietyssä kriittisessä pisteessä korkean paineen alaisena. Tutkijoiden havainnot vastaavat tämän vaihesiirtymän mallia.

Nämä havainnot ovat kuitenkin vain ensimmäinen askel kokeelliseen "kukaan ei-maa" -veteen, kuten tutkijat korostavat. Nilsson toivoo saavuttavansa jopa kylmempiä lämpötiloja testatakseen, huipentuvatko veden epätavalliset ominaisuudet jossain vaiheessa. "Tavoitteenamme on jatkaa tätä dynaamista niin paljon kuin mahdollista. Viime kädessä prosessien ymmärtäminen 'ei-ihmisen maassa' auttaa meitä ymmärtämään vettä kaikissa olosuhteissa. "

(Nature, 2014; doi: 10.1038 / nature13266)

(Saksan elektronisynkrotroni DESY, 20.06.2014 - AKR)