Flüssiges Wasser in verschiedenen Zuständen (Andrew Onufriyenko/Moment/Getty Images) Die schillernde Schönheit einer Schneeflocke ist ein Beweis für die erstaunlichen Formen, die Wasser unterhalb des Gefrierpunkts bilden kann.
Unter Druck setzt der elegante Tanz des H 2 Das O-Molekül verformt sich bei extrem kalten Temperaturen zu etwas Bizarrem und verknotet sich praktisch, um nicht zu Eis zu werden.
Forscher der Universität Birmingham im Vereinigten Königreich und der Sapienza Università di Roma in Italien untersuchten das Verhalten von Molekülen in unter Druck stehendem flüssigem Wasser unter Bedingungen, die normalerweise zur Kristallisation führen würden.
Basierend auf einer neuartigen Methode zur Modellierung des Verhaltens von Wasser als Partikelsuspension identifizierten sie Schlüsselmerkmale von zwei verschiedenen Flüssigkeitszuständen; Einer ist „topologisch komplex“, verbunden in einem Überhandknoten ähnlich einer Brezel, der andere in einer Formation einfacherer Ringe mit geringerer Dichte.
„Dieses kolloidale Wassermodell bietet ein Vergrößerungsglas für molekulares Wasser und ermöglicht es uns, die Geheimnisse des Wassers hinsichtlich der Geschichte zweier Flüssigkeiten zu lüften.“ sagt Dwaipayan Chakrabarti, Chemiker der Universität Birmingham.
Theorien in den 1990er Jahren festgelegt haben auf die Arten molekularer Wechselwirkungen hingewiesen, die stattfinden könnten, wenn Wasser vorhanden ist unterkühlt – auf Temperaturen unter ihrem typischen Gefrierpunkt gekühlt, ohne zu erstarren.
Wissenschaftler waren die Grenzen ausreizen auf Kühlwasser, ohne dass es seit Jahren in einen festen Zustand übergeht, schaffte es schließlich, es zu halten in chaotischer flüssiger Form bei wahnsinnig kalten –263 Grad Celsius (–441 Grad Fahrenheit) für den Bruchteil eines Augenblicks, ohne dass es zu Eis wird.
Soweit Fortschritte bei der Demonstration dieser Zustände im Labor erzielt wurden, versuchen Wissenschaftler immer noch herauszufinden, wie unterkühlte Flüssigkeiten genau aussehen, wenn ihnen Wärme entzogen wird.
Es ist klar, dass an kritischen Punkten die konkurrierenden polaren Anziehungskräfte zwischen Wassermolekülen das thermodynamische Summen der wackelnden Teilchen übertreffen. Ohne den Spielraum, in eine kristalline Form zu gelangen, müssen Moleküle andere bequeme Konfigurationen finden.
Da so viele Faktoren eine Rolle spielen, versuchen Forscher normalerweise, das Mögliche zu vereinfachen und sich auf die wichtigen Variablen zu konzentrieren. In diesem Fall hilft es, die Übergänge von einer Anordnung zur anderen besser zu verstehen, wenn man „Wasserklumpen“ so betrachtet, als wären sie größere, in der Flüssigkeit gelöste Partikel.
Auf dieser Perspektive basierende Computermodelle deuteten auf eine subtile Veränderung zwischen dem Auseinanderdrücken des Wassers und einer Form aus Partikeln hin, die sich in einer dichteren Form näher aneinander ansiedeln.
Interessanterweise sah auch die Form – oder Topologie – der molekularen Wechselwirkungen in dieser Wasserlandschaft völlig anders aus, wobei sich die Moleküle in komplizierten Netzwerken verheddern, wenn sie sich zusammendrängen, oder in viel einfacheren Formen, wenn sie sich auseinanderschieben.
„In dieser Arbeit schlagen wir zum ersten Mal eine netzwerkbasierte Sicht auf den Flüssig-Flüssig-Phasenübergang vor.“ Verstrickung Ideen,' sagt Francesco Sciortino, Physiker für kondensierte Materie an der Universität La Sapienza in Rom.
„Ich bin sicher, dass diese Arbeit zu neuartigen theoretischen Modellen auf der Grundlage topologischer Konzepte inspirieren wird.“
Dieser seltsame Raum verschränkter Teilchennetzwerke ist reif für die Erkundung. Obwohl solche Knoten langen Ketten kovalent gebundener Moleküle nicht ganz unähnlich sind, sind sie vorübergehend und tauschen ihre Mitglieder aus, wenn sich die flüssige Umgebung verändert.
Angesichts ihrer verworrenen Wechselwirkungen sollte die Beschaffenheit des flüssigen Wassers, das in Umgebungen mit hohem Druck und niedriger Temperatur vorkommt, ganz anders sein als alles, was wir auf der Erdoberfläche finden würden.
Wenn wir mehr über das topologische Verhalten nicht nur von Wasser, sondern auch von anderen Flüssigkeiten unter diesen Bedingungen wissen, könnten wir Einblicke in die Aktivität von Materialien in extremen oder schwer zugänglichen Umgebungen wie den Tiefen entfernter Planeten gewinnen.
„Träumen Sie, wie schön es wäre, wenn wir in die Flüssigkeit schauen und das Tanzen der Wassermoleküle beobachten könnten, die Art und Weise, wie sie flackern und wie sie Partner austauschen und so das Wasserstoffbindungsnetzwerk neu strukturieren.“ sagt Sciortino.
„Die Verwirklichung des von uns vorgeschlagenen kolloidalen Modells für Wasser kann diesen Traum wahr werden lassen.“
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik .