Szuperhűtés: A víznek nem kell megfagynia -48 C-ig (-55 F)

Vizet iszunk, fürdünk benne, és főleg vízből készülünk, a közös anyag mégis nagy rejtélyeket rejt. A Utah-i Egyetem kémikusai megoldhattak egy rejtélyt azzal, hogy megmutatták, hogyan juthat a hideg víz, mielőtt feltétlenül meg kell fagynia: 48 Celsius-fok alá (mínusz 55 Fahrenheit).

kell

Ez 48 Celsius-fokkal (87 Fahrenheit-fokkal) hidegebb, mint amit a legtöbb ember a víz fagyáspontjának tart, vagyis 0 C (32 F).

A túlhűtött folyékony víznek mínusz 48 C-on (mínusz 55 F) jéggé kell válnia nemcsak a rendkívüli hideg miatt, hanem azért is, mert a víz molekulaszerkezete fizikailag tetraéder alakúvá válik, és minden vízmolekula lazán kapcsolódik négy másikhoz. Valeria Molinero és Emily Moore vegyészek új tanulmánya.

Az eredmények azt sugallják, hogy ez a strukturális változás a folyadékról a "köztes jégre" magyarázza annak a rejtélyét, hogy "mi határozza meg azt a hőmérsékletet, amelynél a víz megfagy" - mondja Molinero, az utahi egyetem adjunktusa és a tanulmány vezető szerzője a Nature folyóirat november 24-i számában.

"Ennek a köztes jégnek van egy szerkezete a jég teljes szerkezete és a folyadék szerkezete között" - teszi hozzá. "Nagyon régi rejtvényt oldunk meg arról, mi zajlik mélyen túlhűtött vízben."

A víz furcsa és furcsa világában azonban elméletileg még mindig jelen lehet apró mennyiségű folyékony víz, még akkor is, ha a hőmérséklet mínusz 48 C (mínusz 55 F) alá süllyed, és szinte az összes víz szilárdvá vált - akár kristályos jéggé, akár amorfvá. vizes "pohár" - mondja Molinero. De minden megmaradt folyékony víz hihetetlenül rövid ideig képes túlélni - túl rövid ahhoz, hogy a folyadék tulajdonságait fel lehessen detektálni vagy mérni.

Az, hogy a víznek hogyan és milyen hőmérsékleten kell megfagynia, nemcsak a "gee-whiz" vonzerővel bír. A globális felmelegedést tanulmányozó légköri tudósok tudni akarják, hogy a víz milyen hőmérsékleten és sebességgel fagy meg és kristályosodik jéggé.

"Erre szükséged van annak megjóslásához, hogy a légkörben mennyi víz van folyékony vagy kristály állapotban", ami arra vonatkozik, hogy a napsugárzást mennyire szívja el a légköri víz és jég - mondja Molinero. "Ez fontos a globális éghajlat előrejelzéséhez."

Furcsa anyag

A folyékony víz a vízmolekulák hálózata (mindegyikben két hidrogénatom és egy oxigénatom van), amelyet lazán tartanak össze az úgynevezett hidrogénkötések, amelyek némileg hasonlítanak a statikus ragaszkodáshoz. Molinero szerint a vízjégnek hőmérsékletétől és nyomásától függően 16 különböző kristályos formája van, amelyekben a vízmolekulák hidrogénkötésekkel kapaszkodnak egymásba.

Molinero szerint "a vizet annyira furcsává teszi, hogy a folyékony víz viselkedése teljesen különbözik a többi folyadéktól. Például a jég a vízen úszik, míg a legtöbb szilárd anyag folyékony formájába süllyed, mert sűrűbb, mint a folyadék."

A víz sűrűsége a hőmérséklettől függően változik, sűrűsége 4 C (39 F). Ezért halak túlélnek egy tavat borító jég alatt úgy, hogy úsznak a tó alján lévő melegebb, sűrűbb vízben.

De a víz azon tulajdonsága, amely "a legelbűvölőbb, hogy jóval 32 Fahrenheit [nulla Celsius-fok] alatt lehűtheti, és továbbra is folyékony marad" - mondja Molinero.

Olyan folyékony vizet találtak, mint mínusz 40 C (mínusz 40 F) a felhőkben. A tudósok olyan kísérleteket végeztek, amelyek azt mutatták, hogy a folyékony víz legalább mínusz 41 C-ig (mínusz 42 F-ig) fennállhat.

Miért nem fagy meg szükségszerűen a víz 0 C-on (32 F), mint ahogyan az iskolában tanítottak minket?

"Ha folyékony vize van, és jeget akar kialakítani, akkor először egy kis magot vagy jégmagot kell kialakítania a folyadékból. A folyadéknak jeget kell szülnie" - mondja Molinero. "Az eső érdekében folyadékot kell készíteni a gőzből. Itt folyadékból kell kristályt [jeget] készíteni."

Mégis nagyon tiszta vízben "csak úgy hozhat létre magot, ha spontán megváltoztatja a folyadék szerkezetét" - teszi hozzá.

Molinero szerint a legfontosabb kérdések a következők: "Milyen körülmények között alakulnak ki az atommagok, és elég nagyok ahhoz, hogy növekedjenek?" és "Mekkora ez a kritikus mag?"

A nem mérhető számítása

Molinero azt mondja, hogy "amikor lehűti a vizet, annak szerkezete közelebb kerül a jég szerkezetéhez, ezért csökken a sűrűség, és ennek meg kell jelennie a megnövekedett kristályosodási sebességben".

A túlhűtött vizet körülbelül mínusz 41 C-ra (mínusz 42 F) mértük, ami a "homogén magképződési hőmérséklete" - ez a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyen a jég kristályosodási sebessége a víz fagyásakor mérhető. Ezen hőmérséklet alatt a jég túl gyorsan kristályosodik, hogy a maradék folyadék bármely tulajdonságát meg lehessen mérni.

A probléma kiküszöbölése érdekében Molinero és kémiai doktorandusz, Moore számítógépeket használt az Utah-i Egyetem Nagy teljesítményű számítástechnikai központjában. A túlhűtött víz viselkedését szimulálták és valós adatok felhasználásával modellezték is.

A számítógépek "mikroszkopikus képet nyújtanak szimulációval, amelyet a kísérletek még nem tudnak biztosítani" - mondja Molinero.

A korábbi számítógépes szimulációk és modellezések túl lassúak voltak, és elég sokáig kellett tartaniuk ahhoz, hogy a fagyasztási folyamat bekövetkezhessen. És érvényes következtetések levonásához több ezer nukleációs esemény szimulációjára volt szükség.

Molinero és Moore új számítógépes modellt dolgozott ki, amely 200-szor gyorsabb, mint elődei. A modell leegyszerűsítette a számgörbülést azzal, hogy minden háromatomos vízmolekulát egyetlen szilíciumatomhoz hasonló részecskének tekintett, és képes hidrogénkötéssel összetapadni.

Ennek ellenére több ezer órányi számítógépes idő kellett 32 768 vízmolekula (egy apró vízcseppnél jóval kisebb) viselkedésének szimulálásához, hogy meghatározzuk, hogyan változik a víz hőteljesítménye, sűrűsége és összenyomhatósága a túlhűtött állapotban, valamint szimulálni milyen gyorsan kristályosodott a jég egy 4000 vízmolekula-tételen belül.

A jég születése

A számítógépek segítettek Molineronak és Moore-nak meghatározni, hogyan juthat a hideg víz, mielőtt eléri az elméleti maximális kristályosodási sebességet, és meg kell fagynia. A válasz: mínusz 48 C (mínusz 55 F).

A számítógépek azt is kimutatták, hogy amint a víz mínusz 48 C-ra (mínusz 55 F) közelít, a négy másikhoz kapcsolt vízmolekulák aránya hirtelen megnő tetraéderek képződéséhez.

"A víz valami mássá alakul át, és ez a valami nagyon közel áll a jéghez" - mondja Molinero. Köztes jégnek nevezi.

Ha egy mikroszkopikus vízcsepp nagyon gyorsan lehűl, akkor az úgynevezett üveg - kis sűrűségű amorf jég - képezi, amelyben a vízmolekulák összes tetraédere nem sorakozik tökéletes kristályok kialakítására. Ehelyett az alacsony sűrűségű jég amorf, mint az ablaküveg. A tanulmány megállapította, hogy az amorf "vizes üveg" molekuláinak egynegyede vagy közbenső jégként vagy apró jégkristályként szerveződik.

Amikor a víz megközelíti a mínusz 48 C-ot (mínusz 55 F), szokatlanul csökken a sűrűség, és szokatlanul növekszik a hőkapacitás (ami lefelé megy felfelé) és az összenyomhatóság (a vizet egyre könnyebben összenyomja, ahogy a legtöbb folyadékkal) . Ezek a szokatlan termodinamikák egybeesnek a folyékony vízzel, amely a tetraéderes szerkezetre változik.

"A víz szerkezetének változása szabályozza a jég keletkezésének sebességét" - mondja Molinero. "Megmutatjuk, hogy mind a víz termodinamikája, mind a kristályosodás sebességét a folyékony víz szerkezetének változása szabályozza, amely megközelíti a jég szerkezetét."