-48 Celsiusig maradhat folyékony a víz

Az amerikai Utah Egyetem kémikusainak sikerült megfejteni egy újabb vízzel kapcsolatos rejtélyt, bebizonyítva, hogy a víz egészen -48 Celsius fokig képes folyékony maradni.

Ez pontosan 48 Celsiusszal hidegebb az emberek többsége által fagypontként ismert 0 Celsiusnál. Az úgynevezett szuperhűtött folyékony víznek -48 fokon kell jéggé válnia, ami elsősorban annak köszönhető, hogy a vízmolekula elektronszerkezete a tetraéderes elrendezést preferálja, vagyis ha lehetséges minden egyes vízmolekula négy másikhoz kapcsolódik, taglalja Valeria Molinero és Emily Moore új tanulmányukban.

A víz sűrűsége a hőmérséklettel változik, legnagyobb sűrűségét 3,8 Celsius fokon éri el, a legdöbbenetesebb tulajdonsága azonban, hogy jóval 0 fok alatt is folyadék marad, hangsúlyozza Molinero. A légköri kutatások során -40 Celsius fokos folyékony vizet is észleltek a felhőkben, illetve több tudományos kísérlet bizonyította, hogy legalább -41 fokig létezhet folyékony víz. Vajon miért nem fagy meg a víz szükségszerűen 0 Celsius fokon, ahogy azt az iskolában tanultuk?

"Ha folyékony vízből jeget akarunk készíteni, akkor először egy kis jégmagot kell létrehoznunk a folyadékból" – mondta Molinero, hozzátéve, hogy nagyon tiszta vízben, amiben nincsenek szennyeződések, vagy olyan részecskék, ami körül a szükséges mag kialakulhat, ezt a H2O szokatlan termodinamikája miatt nehéz elérni.

A felfedezés arra utal, hogy ez a szerkezeti változás, ami a folyadékból egy "átmeneti jeget" képez, megmagyarázza a víz fagyásához szükséges hőmérséklet körüli ellentmondásokat. "Az átmeneti jég szerkezete a jég teljes szerkezete és a folyadék szerkeze között helyezkedik el" - tette hozzá Molinero a Nature-ben megjelent tanulmányában. "Ezzel megoldottunk egy nagyon régi rejtélyt, ami a szuperhűtött vízben lezajló folyamatokat övezte"

A folyékony víz egy vízmolekulákból (H2O) álló hálózat, amiket gyenge hidrogénkötés tart össze. Molinero elmondása szerint a vízjég - hőmérsékletétől és nyomásától függően - 16 különböző kristályos formát képes felvenni. "Az teszi annyira különlegessé a vizet, hogy a folyékony víz teljesen másként viselkedik más folyadékokhoz viszonyítva. Például a jég lebeg a vízen, miközben a legtöbb szilárd anyag lesüllyed folyékony megfelelőjében, mert azok sűrűbbek a folyadékoknál"

Szuperhűtött vizet egészen -41 fokig mértek, bár a tudósok régóta gyanítják, hogy a hőmérséklet, amin a víznek feltétel nélkül meg kell fagynia, valamivel még ennél is alacsonyabb. Mindazonáltal -41 Celsius az a legalacsonyabb hőfok, amin a jég kristályosodási aránya még mérhető a víz fagyása során, ez alatt a jég túl gyorsan kristályosodik ahhoz, hogy a fennmaradó folyadék bármilyen tulajdonsága mérhető legyen. A probléma áthidalásához Molinero és Moore az egyetem Nagy Teljesítményű Számítástechnikai Központjának számítógépeit használta, szimulálva a szuperhűtött víz viselkedését, valós adatokkal modellezve azt. Molinero és Moore egy olyan új számítógépes modellt tervezett meg, ami kétszázszor gyorsabb elődeinél. A modell minden háromatomos vízmolekulára egy részecskeként tekintett, jelentősen leegyszerűsítve a számolást.

Ennek ellenére is több ezer órányi számítási időt vett igénybe egy parányi vízcseppet felépítő 32.768 vízmolekula viselkedésének szimulálása, hogy abból megállapítható legyen a víz hőkapacitása, sűrűsége és sűríthetősége a szuperhűtés során, illetve szimulálhatóvá váljon a jég kristályosodásának üteme. A számítógépek segítettek a kutatópárosnak megállapítani milyen hideggé válhat a víz, mielőtt elérné elméleti maximális kristályosodási arányát és megfagy. A válasz: -48 Celsius fok.

Amikor a víz eléri ezt a hőmérsékletet, szokatlan csökkenés megy végbe a sűrűségében, miközben hőkapacitása és sűríthetősége jelentősen nő. Ennek eredményeként minden molekula gyenge kötést létesít négy másik társával, piramis alakú, tetraéderes alakzatot véve fel. Ez a furcsa termodinamika egybevág a folyékony víz tetraéderes szerkezetbe rendeződésével.

Hogy hogyan és milyen hőmérsékleten kell megfagynia a víznek, az jóval több puszta tudományos kíváncsiságnál. A globális felmelegedést tanulmányozó légköri tudósok azt szeretnék megtudni, hogy milyen hőmérsékleteken és arányokon fagy meg és kristályosodik jéggé a víz. "Erre azért van szükség, hogy meg tudják jósolni, mennyi víz van a légkörben folyékony, illetve kristályos állapotban, amiből megállapítható, hogy mennyi napsugárzást nyel el a légköri víz és jég" - magyarázta Molinero. "Ez a globális éghajlati előrejelzések szempontjából fontos"