 |
Η έμπνευση του καλλιτέχνη από τις δύο μορφές του υγρού νερού με διαφορετική πυκνότητα. Στο βάθος απεικονίζεται η κηλίδα των ακτίνων Χ που λαμβάνεται από τον υψηλής πυκνότητας άμορφο πάγο, ο οποίος παράγεται από την συμπίεση του νερού σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.
Credit: Mattias Karlen
|
Τα αποτελέσματα βασίζονται σε πειραματικές μελέτες που χρησιμοποιούν ακτίνες Χ, οι οποίες δημοσιεύονται στο “Proceedings of the National Academy of Science (US)”.
Οι περισσότεροι από εμάς γνωρίζουμε ότι το νερό είναι απαραίτητο για την ύπαρξή μας στον πλανήτη Γη. Είναι λιγότερο γνωστό ότι το νερό έχει πολλά περίεργα ή ανώμαλες ιδιότητες και συμπεριφέρεται πολύ διαφορετικά από ότι όλα τα άλλα υγρά. Μερικά παραδείγματα είναι το σημείο τήξεως, η πυκνότητα, η θερμοχωρητικότητα, και συνολικά υπάρχουν περισσότερες από 70 ιδιότητες του νερού που είναι διαφορετικές απ’ ότι στα περισσότερα υγρά. Αυτή η ανώμαλη συμπεριφορά του νερού είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη ζωή όπως την ξέρουμε.
«Η νέα αξιοσημείωτη ιδιότητα είναι ότι βρήκαμε ότι το νερό μπορεί να υπάρχει σε δύο διαφορετικές υγρές μορφές σε χαμηλές θερμοκρασίες όπου η κρυστάλλωση σε πάγου είναι αργή», λέει ο Anders Nilsson, καθηγητής Φυσικοχημείας στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης. Η σημαντική αυτή ανακάλυψη για την κατανόηση του νερού κατέστη δυνατή μέσω ενός συνδυασμού μελετών χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ στο Argonne National Laboratory κοντά στο Σικάγο, όπου βρήκαν ενδείξεις για τις δύο διαφορετικές δομές και στο μεγάλο εργαστήριο ακτίνων Χ, το DESY στο Αμβούργο όπου να διερευνήθηκε η δυναμική και αποδείχθηκε ότι οι δύο φάσεις είναι πράγματι υγρές φάσεις, και οι δύο. Έτσι το νερό μπορεί να υφίστανται ως δύο διαφορετικά υγρά.
«Είναι πολύ συναρπαστικό το ότι μπορούμε να χρησιμοποιούμε ακτίνες Χ για τον προσδιορισμό της σχετικής θέσης των μορίων σε διαφορετικές χρονικές στιγμές», λέει ο Φοίβος Περάκης, μεταδιδακτορικός επιστήμων στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης με υπόβαθρο στην υπερταχεία οπτική φασματοσκοπία. «Συγκεκριμένα έχουμε μπορέσει να παρακολουθήσουμε την μετάβαση του δείγματος μεταξύ των δύο φάσεων σε χαμηλές θερμοκρασίες και αποδείξαμε ότι υπάρχει διάχυση όπως είναι τυπικό για υγρά».
Όταν σκεφτόμαστε τον πάγο συνήθως εννοούμε μια διατεταγμένη, κρυσταλλική φάση που μπορείτε να την πάρετε από το κουτί με τα παγάκια, αλλά η πιο κοινή μορφή πάγου στο πλανητικό μας σύστημα είναι άμορφη, δηλαδή αδιάτακτα μόρια, και υπάρχουν δύο μορφές άμορφου πάγου με χαμηλή και υψηλή πυκνότητα. Οι δύο μορφές μπορούν να αλληλομετατραπούν και έχουν υπάρξει εικασίες ότι μπορούν να σχετίζονται με τις μορφές του υγρού νερού χαμηλής και υψηλής πυκνότητας. Το να διερευνηθεί πειραματικά αυτή η υπόθεση ήταν μια μεγάλη πρόκληση, την οποία η ομάδα της Στοκχόλμης έχει πλέον ξεπεράσει.
«Έχω μελετήσει άμορφους πάγους για μεγάλο χρονικό διάστημα με σκοπό να καθορίσω εάν μπορούμε να θεωρήσουμε ότι είναι μια υαλώδης κατάσταση που αντιπροσωπεύει ένα παγωμένο υγρό», λέει ο Katrin Amann-Winkel, ερευνητής φυσικοχημείας στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης. «Είναι ένα όνειρο που πραγματοποιήθηκε. Μπορούμε να παρακολουθούμε με τέτοια λεπτομέρεια πώς μια υαλώδης κατάσταση του νερού μεταμορφώνεται σε ένα παχύρρευστο υγρό το οποίο μετατρέπει σχεδόν αμέσως σε ένα διαφορετικό, ακόμη πιο παχύρρευστο, υγρό με πολύ χαμηλότερη πυκνότητα».
«Η δυνατότητα να κάνουμε νέες ανακαλύψεις για το νερό είναι εντελώς συναρπαστική και μια μεγάλη πηγή έμπνευσης για περαιτέρω σπουδές μου», λέει ο Daniel Mariedahl, υποψήφιος διδάκτορας στη Φυσικοχημεία στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης. «Είναι συναρπαστικό το ότι οι νέες πληροφορίες έχουν βγεί από τις ακτίνες Χ, καθόσων ο ίδιος ο πρωτοπόρος της ακτινοβολίας ακτίνων Χ, Βίλχελμ Κόνραντ Ρέντγκεν, είχε σκεφτεί ότι το νερό πιθανόν να υπάρχει σε δύο διαφορετικές μορφές και ότι η μεταξύ τους αλληλεπίδραση είναι αυτή που το κάνει να έχει όλες αυτές τις παράξενες ιδιότητες».
«Τα νέα αποτελέσματα δίνουν πολύ ισχυρή υποστήριξη σε μια εικόνα όπου το νερό σε θερμοκρασία δωματίου δεν μπορεί να αποφασίσει σε ποια από τις δύο μορφές θα πρέπει να είναι, στην υψηλής ή στην χαμηλής πυκνότητας μορφή, πράγμα που οδηγεί σε τοπικές εναλλαγές μεταξύ των δύο», λέει ο Lars GM Pettersson, καθηγητής στη Θεωρητική Φυσικοχημεία στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης. «Με λίγα λόγια: Το νερό δεν είναι ένα περίπλοκο υγρό , αλλά δύο απλά υγρά με μια περίπλοκη σχέση.»
Αυτά τα νέα αποτελέσματα, όχι μόνο δίνουν μια ευρύτερη κατανόηση του νερού σε διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις, αλλά επίσης και στο πώς το νερό επηρεάζεται από τα άλατα και τα σημαντικά για τη ζωή βιομορια . Επιπλέον, η αυξημένη κατανόηση του νερού μπορεί να οδηγήσει σε νέες ιδέες για το πώς να καθαρίζουμε και να κάνουμε την αφαλάτωση του νερού στο μέλλον. Αυτό θα είναι μία από τις κύριες προκλήσεις για την ανθρωπότητα εν όψει της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής.
Περισσότερα: Οι ερευνητές προσπαθούν να ανακαλύψουν την προέλευση των ασυνήθιστες ιδιότητες του νερού
Περισσότερες πληροφορίες: Fivos Perakis et al., «Diffusive dynamics during the high-to-low density transition in amorphous ice," PNAS(2017). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1705303114
Περιοδικό αναφοράς: Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών
Παρέχεται από: Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης
Πηγή: https://phys.org/news/2017-06-liquids.html#jCp
