Nova raziskava: voda bi lahko obstajala v dveh tekočih oblikah

Voda je eden od ključnih dejavnikov, ki omogoča življenje na Zemlji, in človek bi pričakoval, da znanost o tej na videz preprosti spojini vodika in kisika ve že vse.

A ni tako.

Že od dela nemškega fizika Wilhelma Röntgena (bolj znanega po odkritju po njem poimenovanih rentgenskih žarkov) v 90. letih 19. stoletja je znano, da je povsem običajna voda ena najbolj nenavadnih tekočin na planetu, piše portal Popular Science.

Po navedbah znanstvenega portala Chemistry World ima voda kar 66 lastnosti, po katerih se razlikuje od drugih tekočin. Med njimi so visoko vrelišče, gostota, površinska napetost in toplotna kapaciteta.

"Če pogledamo preproste termodinamične in kinetične lastnosti tekočin, se ob spreminjanju tlaka in temperature vse vedejo enako. Razen vode," je leta 2020 za Chemistry World povedal Anders Nilsson, raziskovalec z univerze v Stockholmu, ki že več kot desetletje poglobljeno preučuje nenavadne lastnosti vode.

Da bi razumel, zakaj se voda vede tako, je Nilsson iskal tako imenovano tekočinsko-tekočinsko kritično točko, imenovano LLCP (angleško: liquid-liquid critical point).

Iskanje kritične točke med "dvema vodama"

Voda ima v običajnih razmerah, ki vladajo na Zemlji, tri faze ali agregatna stanja – trdo (led), tekoče in plinasto (para).

Iz trdega v tekoče preide pri 0 stopinj Celzija (ledišču), iz tekočega v plinasto pa pri 100 stopinjah (vrelišču).

Obstajajo pa tudi "kritične točke", kjer razlika med fazami izgine.

Že dolgo tako poznamo visoko kritično točko vode pri približno 374 stopinjah Celzija in 218-kratniku atmosferskega tlaka, pri kateri izgine razlika med tekočino in plinom.

Znanstveniki pa so domnevali, da obstaja še kritična točka pri podhlajeni vodi. Podhlajena voda je tista, ki ostane tekoča pri temperaturah precej pod običajnim lediščem.

Pri tem voda kaže za tekočine neobičajno lastnost. Pri 4 stopinjah doseže največjo gostoto, nato pa se njena gostota z ohlajanjem manjša. Pri drugih tekočinah je ravno obratno – bolj ko jih hladimo, gostejše so.

Prav zaradi te lastnosti pa recimo led lahko plava na vodi.

Zakaj je to tako, znanstveniki ne vedo, domnevajo pa, da bi to "anomalijo" v gostoti vode lahko pojasnila še ena kritična točka – med dvema tekočinskima fazama vode.

Leta 2020 so namreč znanstveniki (med njimi tudi Nilsson) odkrili, da lahko podhlajena voda obstaja v dveh ločenih fazah – kot tekočina z visoko gostoto in tekočina z nizko gostoto.

Med tema dvema tekočinama pa bi lahko, so domnevali znanstveniki, obstajala kritična točka (LLCP), pri kateri razlike med obema tekočinama izginejo.

Znanstveniki so izračunali, da bi se ta točka lahko nahajala v območju med –40 in –70 stopinjami Celzija.

Pri iskanju so uporabili "Röntgenove" žarke

Toda natančno določiti to točko ni preprosto, saj gre za nizke temperature, pri katerih voda zmrzne hitreje, kot lahko podatke, potrebne za preučevanje, zajame večina merilnih metod.

Večina, ne pa vse.

V novi študiji, objavljeni v reviji Science, so Nilsson in ekipa pod vodstvom Kyunga Hwana Kima iz laboratorija Pohang Accelerator Laboratory pri opazovanju podhlajene vode med prehodom v led, uporabili metodo merjenja, izjemno hitre sunke rentgenskega laserja s prostimi elektroni.

Merjenje je pokazalo, da se LLCP vode pojavi pri približno –63 stopinjah Celzija (210 Kelvinih), torej v območju, ki ga je predvidela teorija.

Nova merjenja so, zanimivo, bila potrjena približno 130 let po tem, ko je lastnosti vode raziskoval Röntgen, in sicer z njegovim drugim odkritjem, po katerem ga vsi poznamo – rentgenskimi žarki.

"Posebno pri odkritju je bilo, da smo vodo lahko rentgensko slikali nepredstavljivo hitro, še preden je led zamrznil, pri tem pa opazovali, kako tekočinsko-tekočinski prehod izgine ter se pojavi novo kritično stanje," je Nilsson dejal v izjavi za javnost.

Našli so, kar so iskali

"Desetletja so obstajala ugibanja in različne teorije, ki so poskušale pojasniti te izjemne lastnosti, ena od teorij pa je predvidevala obstoj kritične točke. Zdaj smo ugotovili, da takšna točka obstaja."

Tako kot pri višji kritični točki vode je tudi LLCP mogoče opazovati le pod izjemnim tlakom – približno 1.000 atmosferami.

Nihanja med fazami pa se čez različne temperature in tlake lahko raztezajo tudi v običajne razmere v okolju, kar bi lahko pojasnilo, zakaj je voda tako nenavadna.

Ker so znanstveniki zdaj natančno določili to kritično točko, bi lahko imelo odkritje daljnosežne posledice na številnih področjih.

"O izvoru nenavadnih lastnosti vode poteka intenzivna razprava že več kot stoletje, vse od zgodnjega dela Wolfganga Röntgena," je Nilsson dejal v izjavi za javnost.

Nova kritična točka bi po besedah znanstvenikov lahko pojasnila na primer, zakaj je led manj gost kot voda ali zakaj ima voda toliko “anomalij”, pa tudi druge stvari.

"Naslednji korak je ugotoviti, kakšne posledice imajo te ugotovitve za pomen vode v fizikalnih, kemijskih, bioloških, geoloških in podnebnih procesih. To bo velik izziv v prihodnjih letih," je dejal Nilsson.