Od ponad stulecia naukowcy debatują nad wyjątkowym zachowaniem wody, a zwłaszcza nad jej niezwykłymi właściwościami w niskich temperaturach. Teraz zespół z Uniwersytetu w Sztokholmie dostarczył pierwszy dowód eksperymentalny na długo hipotetyzowany stan krytyczny w przechłodzonej wodzie – stan, w którym ciecz oscyluje między dwiema różnymi strukturami molekularnymi przed zamrożeniem. Odkrycie, opublikowane 26 marca w czasopiśmie Science, może zrewolucjonizować nasze rozumienie roli wody we wszystkim, od klimatu po biologię.
W poszukiwaniu ukrytego stanu wody
Woda nie jest jak większość substancji. W niskich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem może występować w dwóch różnych fazach ciekłych, z których każda inaczej wiąże cząsteczki. Wraz ze wzrostem temperatury i spadkiem ciśnienia fazy te łączą się w jedną, tworząc niestabilny stan nadkrytyczny. Ta niestabilność objawia się ostrymi wahaniami – woda zdaje się „nie potrafić wybierać” pomiędzy swoimi płynnymi formami.
Naukowcy wykorzystali ultraszybkie lasery rentgenowskie do badania przechłodzonej wody przed jej krystalizacją, ostatecznie obserwując to przejście. Kluczowy punkt: rejestrowanie obrazów płynów zanim zamarzną, co wcześniej było niemożliwe. Punkt krytyczny zidentyfikowano w temperaturze około -63°C (-81°F) i przy ciśnieniu 1000 atmosfer.
Dlaczego to jest ważne
Dziwne zachowanie wody od dziesięcioleci intryguje fizyków. Odkrycie to nie tylko potwierdza teoretyczne przewidywania; wyjaśnia, dlaczego woda zachowuje się tak odmiennie od innych cieczy. Punkt krytyczny to obszar skrajnej niestabilności, który powoduje oscylacje rozciągające się na normalne warunki.
“Woda oscyluje pomiędzy dwoma stanami ciekłymi i ich mieszaninami, jakby nie mogła podjąć decyzji. To właśnie te wibracje nadają wodzie niezwykłe właściwości.”
– Profesor Anders Nilsson, Uniwersytet w Sztokholmie.
Badanie wykazało również, że system zwalnia w miarę zbliżania się do punktu krytycznego, niemal utknąwszy w stanie niestabilnym – zjawisko to jeden z badaczy określił jako „czarną dziurę”.
Konsekwencje dla życia i klimatu
Fakt, że woda jest jedynym płynem nadkrytycznym występującym w warunkach odpowiednich do życia, nie pozostał niezauważony przez naukowców. Czy to przypadek, czy zapowiedź czegoś głębszego? Odkrycia mają wpływ na zrozumienie systemów biologicznych, procesów geologicznych i dynamiki klimatu.
„Kolejnym etapem jest zrozumienie implikacji tych odkryć dla znaczenia wody w procesach fizycznych, chemicznych, biologicznych, geologicznych i klimatycznych. Jest to duże wyzwanie na kilka następnych lat” – mówi profesor Nilsson. Badania te kładą podwaliny pod dalsze badania nad tym, jak wyjątkowe właściwości wody kształtują otaczający nas świat.
Przełom zespołu był możliwy dzięki rozwojowi technologii lasera rentgenowskiego, która umożliwiła obserwację wody w ekstremalnych warunkach, nie dopuszczając do jej zamarznięcia. Potwierdza to realność punktu krytycznego i zapewnia nową podstawę do zrozumienia fizyki wody.
