Dela med sig:
Upptäckt vatten består av två vätskor
Vätskevatten finns i två varianter: HDL och LDL, som nu har detekterats vid mycket låga temperaturer, men kan inte tappas. Detta visas genom röntgenundersökningar hos DESY och Argonne National Laboratory i USA. Ett internationellt forskargrupp som leds av Stockholms universitet presenterar nu sin upptäckt i Proceedings of the US Academy of Sciences (PNAS).
Vatten består av två olika vätskor (Bild: GianlucaCiroTancredi / fotolia.com) Forskarna kring Anders Nilsson hade undersökt så kallad amorf is. Denna glasliknande form av vattenis har varit känd under årtionden. Det är sällsynt på jorden och förekommer inte i vardagen, men det mesta av vattenis i solsystemet finns i denna amorfa form. Istället för en fast kristall - som en isbit från frysfacket - är isen i form av oordningade molekylära kedjor, vilket motsvarar mer av glasets inre struktur. Till exempel kan amorös is tillverkas genom att kyla vätskevatten så snabbt att molekylerna inte har tid att bilda en ordnad kristallstruktur.
"Amorf is finns i två varianter, en med hög densitet och en med lägre densitet", förklarar DESY-fysiker Felix Lehmkühler från forskargruppen. De två varianterna kallas högt täthet amorf is (HDA) och lågt täthet amorf is (LDA). "HDA-is har en densitet cirka 25 procent högre än LDA-is, säger Lehmkühler. "Forskare har länge undrat om dessa två typer av glass inte har motsvarande varianter i flytande vatten. Detta är mycket svårt att mäta. Även om det finns båda varianter i flytande vatten, blandar de ständigt, vänder sig till varandra, och det finns inget sätt att skilja de två. "
När man konverterar HDA-is till LDA-is ökar isvolymen spontant med ungefär ett kvartal. Detta kunde redan observeras före den aktuella undersökningen. Bilder: Katrin Amann-Winkel / Filippo Cavalca, Stockholms universitet
Forskarna har nu övervunnit denna hinder vid låga temperaturer. I Stockholms labb förberedde Katrin Amann-Winkel speciellt rena prov av HDA-is. Vid Argonne National Laboratory i USA observerade forskare att den här isens inre struktur förändras när den upphettas mellan minus 150 grader och minus 140 grader Celsius och omvandlar den till en lägre densitetsform.
Vid stationen P10 av DESY s röntgen ljuskälla PETRA III, kunde forskarna att spåra dynamiken hos fasomvandlingen. Det konstaterades att omvandlingen av en vätska äger rum: först HDA glass är i en flytande form av hög densitet över, omvandlar sedan denna "High Density Liquid" (HDL) i en form med lägre densitet ( "Low Density Liquid", LDL) till. Detta bevisar förekomsten av de två misstänkta varianterna av flytande vatten - åtminstone vid mycket låga temperaturer. Det extremt djupfrysta vattnet är så visköst att de två vätskefaserna endast mycket långsamt förvandlas till varandra och blandas och därmed mätas.
"Den nya uppseendeväckande att vi har observerat är att vatten som två olika vätskor kan existera vid låga temperaturer vid vilka is kristallisering är långsam,", säger forskningschef Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet. "Det är väldigt spännande att vi är med röntgenstrålar i stånd att bestämma de relativa positionerna för molekylerna vid olika tidpunkter", tillägger Fivos Perakis från Stockholms Universitet, tillsammans med Amann vinkelhuvudförfattare till studien. "Vi kunde i synnerhet omvandlingen av provet mellan de två faserna vid låga temperaturer följer och visar att en diffusion används som är typiskt för vätskor."
För vardagen förändras upptäckten av de två varianterna av flytande vatten ingenting. För vetenskap är det dock ett viktigt steg i att förstå denna extraordinära vätska. "Så enkelt vatten visas konstigt som det beter sig jämfört med andra vätskor", förklarar Lehmkühler från DESY Research Group sammanhängande röntgenspridning av professor Gerhard Grübel, som också är medförfattare till studien och arbetar som senior forskare vid DESY.
"Vatten är så många anomalier - densitet, värmekapacitet och värmeledningsförmåga är bara tre av flera dussin egenskaper som skiljer i vatten än de flesta andra vätskor", säger Lehmkühler. "Många av dessa egenskaper är grunden för existensen av liv, för utan vatten och dess särdrag är livet som vi känner det, inte möjligt." Studien av vatten har inte bara därför stor betydelse och är ett område, som också är DESY stärker sitt åtagande. Nya röntgenkällor som den raka gå i drift europeiska röntgenlaser European XFEL, vars huvudägare är DESY, eller expansionen av DESY synkrotronljuskälla PETRA III för nästa generation, kommer Petra IV tillåter forskare om att ytterligare expandera till outforskad terräng av vatten fasdiagrammet.
Vid framtida utredningar hoppas forskarna att svara på frågan bland annat om de två typerna av flytande vatten också finns vid rumstemperatur. Det finns ingen grundläggande orsak att de endast bör existera vid låga temperaturer. "De nya resultaten stöder starkt bilden i vattnet är vid rumstemperatur kan inte bestämma vilken att acceptera det av de två former, hög eller låg densitet, vilket leder till lokala fluktuationer mellan de två", säger medförfattare Lars Pettersson, professor i Teoretisk kemifysik vid Stockholms universitet. "I ett nötskal är vatten inte en komplicerad vätska, men två enkla vätskor i ett komplicerat förhållande."
Också inblandade var universitetet i Innsbruck, Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) Stockholm och USA: s forskningscentrum SLAC. (Sb, pm)
Original arbete:
"Diffusiv dynamik under övergången från hög till låg densitet i amorf is"; Fivos Perakis, Katrin Amann vinkel, Felix Lehmkühler, Michael hoppa, Daniel Marie Dahl, Jonas A. Sell Berg, Harshad Pathak, Alexander Späh, Filippo Cavalca, Daniel Schlesinger, Ales Ricci, Avni Jain, Bernhard Massani, Flora Aubree, Chris J. Benmore , Thomas Loerting, Gerhard Grübel, Lars GM Pettersson och Anders Nilsson; Förlopp av National Academy of Sciences, 2017; DOI: 10,1073 / pnas.1705303114