Eρευνητές αποδεικνύουν ότι το νερό έχει πολλαπλές υγρές καταστάσεις!

Κατηγορία Έρευνα
Δευτέρα, 28 Δεκεμβρίου 2020 07:53 Διαβάστηκε 3010 φορές
Online Μετάφραση - Απόδοση: Ιορδάνης Βελισσάρης

Το νερό είναι ένα υγρό που υπάρχει παντού και εμφανίζει πολλές εξαιρετικά μοναδικές ιδιότητες. Ο τρόπος με τον οποίο ανταποκρίνεται σε αλλαγές στην πίεση και τη θερμοκρασία μπορεί να είναι εντελώς διαφορετικός από άλλα υγρά, και αυτές οι ιδιότητες είναι απαραίτητες για πολλές πρακτικές εφαρμογές και ιδιαίτερα για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε. Το τι προκαλεί αυτές τις ανωμαλίες υπήρξε για χρόνια πηγή επιστημονικής εξερεύνησης, αλλά τώρα, μια διεθνής ομάδα ερευνητών που περιλαμβάνει τον Nicolas Giovambattista, καθηγητή στο CUNY, απέδειξε ότι το νερό μπορεί να υπάρχει σε δύο διαφορετικές υγρές καταστάσεις - ένα εύρημα που μπορεί να εξηγήσει πολλές "ανώμαλες" ιδιότητες του νερού. Η έρευνά τους δημοσιεύθηκε στο τεύχος 20 του περιοδικού Science, τον Νοέμβριο.

"Η πιθανότητα να υπάρχει το νερό σε δύο διαφορετικές υγρές καταστάσεις προτάθηκε πριν από περίπου 30 χρόνια, με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν από προσομοιώσεις υπολογιστών", δήλωσε ο Giovambattista. "Αυτή η παράξενη υπόθεση ήταν ένα από τα πιο σημαντικά ερωτήματα στη χημεία και τη φυσική του νερού αλλά και ένα αμφιλεγόμενο σενάριο εξαρχής. Αυτό συμβαίνει επειδή τα πειράματα που μπορούν να προσεγγίσουν τις δύο υγρές καταστάσεις στο νερό ήταν πολύ δύσκολα λόγω του φαινομενικά αναπόφευκτου σχηματισμού πάγου στις συνθήκες όπου μπορούν να υπάρχουν τα δύο υγρά."

Η συνήθης «υγρή» κατάσταση του νερού, την οποία όλοι γνωρίζουμε αντιστοιχεί σε υγρό νερό σε κανονικές θερμοκρασίες (περίπου 25οC). Ωστόσο, η μελέτη δείχνει ότι το νερό σε χαμηλές θερμοκρασίες (περίπου -63οC) υπάρχει σε δύο διαφορετικές υγρές καταστάσεις, ένα υγρό χαμηλής πυκνότητας σε χαμηλές πιέσεις και ένα υγρό υψηλής πυκνότητας σε υψηλές πιέσεις. Αυτά τα δύο υγρά έχουν αισθητά διαφορετικές ιδιότητες και διαφέρουν κατά 20% σε πυκνότητα. Τα αποτελέσματα υπονοούν ότι σε κατάλληλες συνθήκες, το νερό πρέπει να υπάρχει ως δύο υγρά που δεν αναμιγνύονται και διαχωρίζονται από μια λεπτή διεπαφή, παρόμοια με τη συνύπαρξη λαδιού και νερού.

Επειδή το νερό είναι μια από τις πιο σημαντικές ουσίες στη Γη - ο διαλύτης της ζωής όπως λέγεται - η φάση συμπεριφοράς του παίζει θεμελιώδη ρόλο σε διάφορους τομείς, όπως η βιοχημεία, το κλίμα, η κρυοσυντήρηση, η κρυοβιολογία, η επιστήμη των υλικών και σε πολλές βιομηχανικές διεργασίες όπου το νερό δρα ως διαλύτης, προϊόν, αντιδραστήριο ή ρύπος. Συνεπώς, τα ασυνήθιστα χαρακτηριστικά στη φάση συμπεριφοράς του νερού, όπως η παρουσία δύο υγρών καταστάσεων, μπορούν να επηρεάσουν πολλές επιστημονικές και μηχανικές εφαρμογές.

"Παραμένει το ερώτημα πώς η παρουσία δύο υγρών μπορεί να επηρεάσει τη συμπεριφορά των υδατικών διαλυμάτων εν γένει, και συγκεκριμένα, πώς τα δύο υγρά μπορούν να επηρεάσουν τα βιομόρια σε υδατικά περιβάλλοντα", δήλωσε ο Giovambattista. "Αυτό ενθαρρύνει περαιτέρω μελέτες στην αναζήτηση πιθανών εφαρμογών."

Ο Giovambattista είναι μέλος της Φυσικής και Χημείας Ph.D. προγράμματα στο CUNY. Η διεθνής ομάδα, με επικεφαλής τον Anders Nilsson, καθηγητή χημείας-φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης, χρησιμοποίησε σύνθετα πειράματα και προσομοιώσεις υπολογιστών για να αποδείξει αυτή τη θεωρία. Τα πειράματα, που περιγράφονται ως «επιστημονικής φαντασίας» από τον Giovambattista, πραγματοποιήθηκαν από συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης στη Σουηδία, στο Πανεπιστήμιο POSTECH στην Κορέα, στο PAL-XFEL στην Κορέα και στο εθνικό εργαστήριο επιταχυντών SLAC στην Καλιφόρνια. Οι προσομοιώσεις υπολογιστών πραγματοποιήθηκαν από τον Giovambattista και τον Peter H. Poole, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο St. Francis Xavier στον Καναδά. Οι προσομοιώσεις υπολογιστών έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην ερμηνεία των πειραμάτων, καθώς αυτά τα πειράματα είναι εξαιρετικά περίπλοκα και κάποιες παρατηρήσεις δεν είναι προσβάσιμες κατά τη διάρκεια των πειραμάτων.

Περισσότερες πληροφορίες:
Experimental observation of the liquid-liquid transition in bulk supercooled water under pressure (Science 2020)
CUNY Advanced Science Research Center