Dele:
Oppdaget vann består av to væsker
Væskevann finnes i to varianter: HDL og LDL, som nå er detektert ved svært lave temperaturer, men kan ikke flaske. Dette er vist ved røntgenundersøkelser hos DESY og Argonne National Laboratory i USA. Et internasjonalt forskergruppe ledet av Stockholms Universitet presenterer nå sin oppdagelse i Prosedyrene ved Det amerikanske vitenskapsakademiet (PNAS).
Vann består av to forskjellige væsker (Bilde: GianlucaCiroTancredi / fotolia.com) Forskerne rundt Anders Nilsson hadde undersøkt såkalt amorf is. Denne glasslignende formen av vannis har vært kjent i flere tiår. Det er sjeldent på jorden og forekommer ikke i hverdagen, men det meste av vannet i solsystemet eksisterer i denne amorfe form. Istedenfor en fast krystall - som en isbit fra frysekammeret - er isen i form av uordnede molekylære kjeder, noe som tilsvarer mer til glassets indre struktur. For eksempel kan amorf is fremstilles ved å kjøle væskevann så fort at molekylene ikke har tid til å danne en bestilt krystallstruktur.
"Amorf is eksisterer i to varianter, en med høy tetthet og en med lavere tetthet," forklarer DESY-fysikeren Felix Lehmkühler fra forskningsgruppen. De to varianter kalles High Density Amorphous Ice (HDA) og Low Density Amorphic Ice (LDA). "HDA is har en tetthet om lag 25 prosent høyere enn LDA is," sier Lehmkühler. "Forskere har lenge lurt på om disse to typer iskrem ikke har tilsvarende varianter i flytende vann. Dette er veldig vanskelig å måle. Selv om det finnes begge varianter i flytende vann, blander de seg kontinuerlig, blir til hverandre, og det er ingen måte å skille de to. "
Når man konverterer HDA-is til LDA-is, øker isvolumet spontant med om lag kvart. Dette kunne allerede observeres før den nåværende undersøkelsen. Bilder: Katrin Amann-Winkel / Filippo Cavalca, Stockholms Universitet
Forskerne har nå overvunnet denne hindringen ved lave temperaturer. I Stockholm-laboratoriet har Katrin Amann-Winkel utarbeidet spesielt rene prøver av HDA-is. På Argonne National Laboratory i USA observert forskere at den indre strukturen til denne isen endres når den oppvarmes mellom minus 150 grader og minus 140 grader Celsius, og omformer den til en lavere tetthetsform.
På stasjonen P10 av DESY røntgen lyskilde PETRA III, var forskerne i stand til å spore dynamikken i fasetransformasjonen. Det ble funnet at omdannelsen av en væske forekommer: Til å begynne med HDA iskrem er i en flytende form av høy tetthet over, deretter konverterer denne "High Density væske" (HDL) i en form med lavere tetthet ( "Low Density flytende", LDL) til. Dette beviser eksistensen av de to mistenkte varianter av flytende vann - i alle fall ved svært lave temperaturer. Det ekstremt dypfrosne vannet er så viskøst at de to væskefasene bare veldig langsomt forvandles til hverandre og blandes og dermed måles.
"Den nye bemerkelsesverdige funksjonen vi har observert er at vann kan eksistere som to forskjellige væsker ved lave temperaturer der iskrystallisering er langsom," forklarer forskningsdirektør Nilsson, professor i kjemisk fysikk ved Stockholms universitet. "Det er veldig spennende at med X-stråling kan vi fastslå molekylers relative posisjoner på forskjellige tidspunkter," legger Fivos Perakis fra Stockholms Universitet sammen med Amann-Winkels hovedforfatter av studien. "Spesielt var vi i stand til å følge transformasjonen av prøven mellom de to faser ved lave temperaturer og vise at diffusjonen begynner som det er typisk for væsker."
For hverdagen, oppdager oppdagelsen av de to varianter av flytende vann ingenting. For vitenskap er det imidlertid et viktig skritt i å forstå denne ekstraordinære væsken. "Vises Så enkelt vann, merkelig som den fungerer i forhold til andre væsker," forklarer Lehmkühler fra DESY Research Group sammenhengende X-ray spredning av professor Gerhard Grubel, som også er medforfatter av studien og jobber som seniorforsker ved DESY.
"Vann er så mange anomalier - tetthet, varmekapasitet og varmeledningsevne er bare tre av flere dusin egenskaper som er forskjellige i vann enn de fleste andre væsker", sier Lehmkühler. "Mange av disse egenskapene er grunnlaget for eksistensen av liv, for uten vann og dets spesielle egenskaper er livet slik vi kjenner det, ikke mulig." Studien vann ikke bare har derfor stor betydning og er et område som også er DESY styrker sin forpliktelse. Nye røntgenkilder som direkte kommer i drift europeisk røntgenstrålelaser europeisk XFEL, hvis viktigste aksjon er DESY, eller utvidelse av DESY synkrotron strålingskilde PETRA III for den neste generasjon, vil Petra IV tillate forskere om å ytterligere ekspandere inn i ukjent terreng av vannfasediagrammet.
Med fremtidige undersøkelser håper forskerne å svare på spørsmålet, blant annet om de to typer flytende vann også finnes ved romtemperatur. Det er ingen grunnleggende grunn at de bare bør eksistere ved lave temperaturer. "De nye resultatene sterkt støtte bildet i vannet er ved romtemperatur kan ikke bestemme hvilke å akseptere den av de to formene, høy eller lav tetthet, noe som fører til lokale svingninger mellom de to," sier medforfatter Lars Pettersson, professor i Teoretisk Kjemisk Fysikk ved Stockholms Universitet. "I et nøtteskall er vann ikke en komplisert væske, men to enkle væsker i et komplisert forhold."
Også involvert var Universitetet i Innsbruck, Det kongelige institutt for teknologi (KTH) Stockholm og US Research Center SLAC. (Sb, pm)
Opprinnelige arbeid:
"Diffusiv dynamikk under høy-til-lav tetthet overgang i amorf is"; Fivos Perakis, Katrin Amann vinkel, Felix Lehmkühler, Michael hoppe, Daniel Marie Dahl, Jonas A. Selg Berg, Harshad Pathak, Alexander Späh, Filippo Cavalca, Daniel Schlesinger, Alessandro Ricci, Avni Jain, Bernhard Massani, Flora Aubree, Chris J. Benmore , Thomas Loerting, Gerhard Grübel, Lars GM Pettersson og Anders Nilsson; Prosedyrene ved Det nasjonale vitenskapsakademiet, 2017; DOI: 10,1073 / pnas.1705303114