(Isiah Gibson/Unsplash) Wasser ist eine sehr seltsame Sache. In unserer alltäglichen Erfahrung gefriert flüssiges Wasser, wenn es unter 0 °C (32 °F oder 273,15 Kelvin) fällt, zu einer festen Form und wird zu Eis. Aber Eis, wie sich herausstellt, ist auch ziemlich seltsam .
Meistens scheint Eis derselbe gefrorene Feststoff zu sein, egal wo man hinschaut. Wissenschaftler wissen es anders.
Abhängig davon, wie flüssiges Wasser manipuliert wird, ist es Umwandlung in Eis, Kristallisation genannt , kann auf ganz unterschiedliche Weise ablaufen, und unter bestimmten Umständen kann es extreme Temperaturen weit unter 0 °C erfordern, bevor dieser Übergang eintritt.
Dies ist das Reich von Unterkühlung – wissenschaftliche Experimente, bei denen die Temperatur von flüssigem Wasser weit über seinen normalen Gefrierpunkt gesenkt wird, und behält dennoch seine flüssige Form . Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu tun – mit selektive Anwendung von Temperatur und Druck – Erstellen der Es wurden unzählige exotische Eisformen gefunden .
In einem neue Studie Allerdings wollten Wissenschaftler Wasser bei extrem kalten Temperaturen untersuchen, bevor es zur Kristallisation kam, während es sich noch im flüssigen Zustand befand.
Sie fanden heraus, dass unterkühltes Wasser unter den richtigen Umständen tatsächlich zwei Flüssigkeiten in einer sein kann.
„Wir haben gezeigt, dass flüssiges Wasser bei extrem kalten Temperaturen nicht nur relativ stabil ist, sondern auch in zwei Strukturmotiven existiert.“ sagt Der Chemiephysiker Greg Kimmel vom Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des US-Energieministeriums.
„Die Ergebnisse erklären eine langjährige Kontroverse darüber, ob tief unterkühltes Wasser immer kristallisiert, bevor es sich ausgleichen kann.“ Die Antwort ist nein.'
Bei Experimenten im Labor feuerte Kimmels Team einen Laser auf eine dünne Eisschicht und erzeugte kurzzeitige Schübe aufgetauten, unterkühlten Wassers bei extrem kalten Temperaturen – bevor es schnell wieder zufror, wie das Königreich Arendelle inmitten einer königlichen Krise .
In diesen unglaublich kurzen Zeitfenstern, die jeweils nur Nanosekunden dauerten, beobachteten die Forscher, dass flüssiges Wasser in zwei unterschiedlichen Zuständen vorlag – einer Form höherer Dichte neben einer Struktur niedrigerer Dichte.
„Wasser entspannte sich von seiner ursprünglichen Konfiguration in eine stationäre Konfiguration, bevor die Kristallisation für den experimentell zugänglichen Temperaturbereich einsetzte.“ schreiben die Autoren in ihrer Arbeit .
„Diese Ergebnisse stützten die Hypothese, dass unterkühltes Wasser bei niedrigem Druck als eine Mischung aus zwei strukturell unterschiedlichen Komponenten von 135 bis 245 K [–138,15 °C/–216,67 °F bis –28,15 °C/–18,67 °F] beschrieben werden kann F].'
Es ist nicht das erste Mal so etwas Dualität wurde im Wasser gefunden . Frühere Experimente anderer Wissenschaftler haben ebenfalls ergeben, dass a Kombination von Strukturen im flüssigen Zustand von Wasser – aber dies scheint das erste Mal zu sein, dass ein solcher Hybrid beobachtet wurde bei solch niedrigen Temperaturen .
Der Grund dafür, dass flüssiges Wasser – im Gegensatz zu den Eiswürfeln in Ihrem Gefrierschrank – überhaupt unterkühlt werden kann, liegt darin, dass es unter bestimmten Umständen (z. B. wenn kein Staub oder andere kleine Partikel vorhanden sind) möglich ist, flüssigem Wasser die winzigen Samen zu entziehen, die zum Ankurbeln erforderlich sind der Prozess der Kristallisation.
In der Natur kann flüssiges Wasser in der Atmosphäre in seinem flüssigen Zustand verbleiben, bis es mit einem solchen Samen kollidiert. Eine einzige Schneeflocke genügt, um die Metamorphose auszulösen.
„Flüssiges Wasser in der oberen Atmosphäre ist stark abgekühlt“ sagt PNNL-Chemiephysiker Bruce Kay.
„Wenn es auf eine Schneeflocke trifft, gefriert es schnell und fällt dann unter den richtigen Bedingungen auf die Erde.“ „Es ist wirklich das einzige Mal, dass die meisten Menschen die Wirkung von unterkühltem Wasser spüren.“
Bis zu diesem Zeitpunkt behält jedoch flüssiges Wasser, das deutlich unter seinen herkömmlichen Gefrierpunkt gekühlt wird, seine flüssigen Eigenschaften, solange es frei von Schneeflocken oder ähnlichen Kristallisationsauslösern bleibt.
Experimentell wissen wir jetzt, wie isoliertes flüssiges Wasser aussieht, wenn es unter solchen Umständen kalt genug wird.
Für einen flüchtigen Moment besteht es aus einer Vereinigung dieser Strukturen hoher und niedrigerer Dichte, wobei der Anteil der Form hoher Dichte in der Mischung abzunehmen scheint, wenn die Temperatur von 245 K abfällt.
Mit anderen Worten: Für mindestens ein oder zwei Nanosekunden scheint Wasser zwei Flüssigkeiten gleichzeitig zu sein.
„Wenn es so kalt ist, dauert es vielleicht nur eine Millionstelsekunde, bis es gefriert“, sagte Kimmel Invers .
„Aber für die herumtanzenden Wassermoleküle ist das lang genug, um zu sagen: ‚Ich habe die Struktur bekommen, die ich will.‘ „Ich werde mich nicht ändern.“
Über die Ergebnisse wird berichtet Wissenschaft .