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L'acqua scoperta esiste di due liquidi
L'acqua liquida esiste in due varianti: High Density Liquid (HDL) e Low Density Liquid (LDL), che sono stati rilevati a temperature molto basse - ma non possono essere imbottigliati. Questo è dimostrato da esami radiografici presso DESY e l'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti. Un gruppo di ricerca internazionale guidato dall'Università di Stoccolma sta ora presentando la sua scoperta negli Atti dell'Accademia delle Scienze degli Stati Uniti (PNAS).
L'acqua è composta da due liquidi diversi (Immagine: GianlucaCiroTancredi / fotolia.com) I ricercatori di Anders Nilsson avevano studiato il cosiddetto ghiaccio amorfo. Questa forma di ghiaccio d'acqua simile al vetro è conosciuta da decenni. È raro sulla terra e non si verifica nella vita di tutti i giorni, ma la maggior parte dell'acqua ghiacciata nel sistema solare esiste in questa forma amorfa. Invece di un cristallo solido - come un cubetto di ghiaccio dal comparto congelatore - il ghiaccio si presenta sotto forma di catene molecolari disordinate, che corrispondono più alla struttura interna di un bicchiere. Ad esempio, il ghiaccio amorfo può essere prodotto raffreddando l'acqua liquida in modo così rapido che le molecole non hanno il tempo di formare una struttura cristallina ordinata.
"Il ghiaccio amorfo esiste in due varianti, una con densità elevata e una con densità inferiore", spiega il fisico DESY Felix Lehmkühler del team di ricerca. Le due varianti sono denominate Ghiaccio amorfo ad alta densità (HDA) e Ghiaccio amorfo a bassa densità (LDA). "Il ghiaccio HDA ha una densità superiore del 25 percento rispetto al ghiaccio LDA", afferma Lehmkühler. "Gli scienziati si sono chiesti a lungo se questi due tipi di gelato non abbiano varianti corrispondenti in acqua liquida. Questo è molto difficile da misurare. Anche se ci sono entrambe le varianti nell'acqua liquida, si mescolano costantemente, si trasformano l'una nell'altra e non c'è modo di separare le due ".
Quando si converte ghiaccio HDA in ghiaccio LDA, il volume di ghiaccio aumenta spontaneamente di circa un quarto. Questo potrebbe essere già osservato prima dell'inchiesta attuale. Foto: Katrin Amann-Winkel / Filippo Cavalca, Università di Stoccolma
I ricercatori hanno ora superato questo ostacolo alle basse temperature. Nel laboratorio di Stoccolma, Katrin Amann-Winkel ha preparato campioni particolarmente puri di ghiaccio HDA. All'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti, gli scienziati hanno osservato che la struttura interna di questo ghiaccio cambia quando viene riscaldata tra meno 150 gradi e meno 140 gradi Celsius, trasformandola in una forma a densità inferiore.
Alla stazione di misurazione P10 della sorgente di raggi X di DESY PETRA III, i ricercatori sono stati in grado di seguire le dinamiche di questa trasformazione di fase. Si è constatato che la conversione di un liquido avviene: in primo luogo il gelato HDA è in una forma liquida di alta densità sopra, quindi converte questo "High Density Liquido" (HDL) in una forma di minore densità ( "Low Density liquido", LDL) a. Ciò dimostra l'esistenza delle due sospette varianti di acqua liquida, almeno a temperature molto basse. L'acqua estremamente profonda è così viscosa che le due fasi liquide si trasformano molto lentamente l'una nell'altra e si mischiano e quindi si misurano.
"La nuova caratteristica notevole che abbiamo osservato è che l'acqua come due liquidi diversi può esistere a basse temperature a cui la cristallizzazione del ghiaccio è lento," dice il direttore di ricerca Nilsson, Professore di Chimica Fisica presso l'Università di Stoccolma. "E 'molto emozionante che stiamo usando i raggi X per essere in grado di determinare le posizioni relative delle molecole in tempi diversi", aggiunge Fivos Perakis presso l'Università di Stoccolma, insieme a Amann piombo angolo di autore principale dello studio. "In particolare, siamo stati in grado di seguire la trasformazione del campione tra le due fasi a basse temperature e mostrare che la diffusione inizia come è tipico per i liquidi."
Per la vita di tutti i giorni, la scoperta delle due varianti di acqua liquida non cambia nulla. Per la scienza, tuttavia, è un passo importante nella comprensione di questo fluido straordinario. "Appare l'acqua quanto semplice, per quanto strano si comporta rispetto ad altri liquidi", spiega Lehmkühler dal Gruppo DESY di ricerca scattering coerente a raggi X dal professor Gerhard Grübel, che è anche co-autore dello studio e lavora come senior scientist presso DESY.
"L'acqua è tante anomalie - densità, capacità termica e la conducibilità termica sono solo tre diverse proprietà decine che sono differenti in acqua rispetto alla maggior parte altri liquidi" dice Lehmkühler. "Molte di queste proprietà sono la base per l'esistenza della vita, perché senza acqua e le sue particolari caratteristiche è la vita come noi la conosciamo, non è possibile." Lo studio di acqua non solo ha quindi una grande importanza ed è una zona, che è anche DESY rafforza il suo impegno. Nuove sorgenti di raggi X come rettilineo in funzione europeo laser a raggi X XFEL europeo, il cui principale azionista è DESY, o l'espansione di DESY sorgente di radiazione di sincrotrone PETRA III della prossima generazione, Petra IV consentirà ricercatori frazione di espandersi ulteriormente nel terreno inesplorato del diagramma di fase acquosa.
Con le indagini future, gli scienziati sperano di rispondere alla domanda, tra le altre cose, se i due tipi di acqua liquida esistono anche a temperatura ambiente. Non c'è alcuna ragione fondamentale per cui dovrebbero esistere solo a basse temperature. "I nuovi risultati sostengono fortemente l'immagine in acqua è a temperatura ambiente, non può decidere quale accettarlo o meno delle due forme, ad alta o bassa densità, che porta a fluttuazioni locali tra i due," dice il co-autore Lars Pettersson, professore di Fisica chimica teorica presso l'Università di Stoccolma. "In poche parole, l'acqua non è un liquido complicato, ma due liquidi semplici in una relazione complicata."
Sono stati coinvolti anche l'Università di Innsbruck, il Royal Institute of Technology (KTH) di Stoccolma e lo US Research Center SLAC. (Sb, pm)
Opera originale:
"Dinamica diffusiva durante la transizione da alta a bassa densità in ghiaccio amorfo"; Fivos Perakis, angolo di Katrin Amann, Felix Lehmkühler, Michael salto, Daniel Marie Dahl, Jonas A. Vendi Berg, Harshad Pathak, Alexander Späh, Filippo Cavalca, Daniel Schlesinger, Alessandro Ricci, Avni Jain, Bernhard Massani, Flora Aubree, Chris J. Benmore , Thomas Loerting, Gerhard Grübel, Lars GM Pettersson e Anders Nilsson; Atti della National Academy of Sciences, 2017; DOI: 10.1073 / pnas.1705303114