Η ανακάλυψη έγινε εφικτή χάρη σε λέιζερ ακτίνων Χ υπερ-υψηλής ταχύτητας, που κατέγραψαν το νερό πριν παγώσει. Το επίτευγμα θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει την κατανόησή μας για τον ρόλο του νερού στη φύση — και ίσως ακόμη και για την ίδια τη ζωή.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης χρησιμοποίησαν προηγμένα λέιζερ ακτίνων Χ για να αποκαλύψουν ένα χαρακτηριστικό του νερού που υποψιάζονταν εδώ και καιρό: Ένα κρίσιμο σημείο που εμφανίζεται όταν το νερό βρίσκεται σε κατάσταση βαθιάς υπέρψυξης.
Αυτό συμβαίνει περίπου στους -63 °C και υπό πίεση 1.000 ατμοσφαιρών. Ακόμη και υπό καθημερινές συνθήκες, αυτό το κρυφό σημείο επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρεται το νερό, βοηθώντας στην εξήγηση πολλών από τις ασυνήθιστες ιδιότητές του.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science.
Γιατί το νερό δεν συμπεριφέρεται όπως τα άλλα υγρά;
Το νερό βρίσκεται παντού και είναι απαραίτητο για τη ζωή, ωστόσο δεν συμπεριφέρεται όπως τα περισσότερα άλλα υγρά. Ιδιότητες όπως η πυκνότητα, η θερμοχωρητικότητα, το ιξώδες και η συμπιεστότητα αντιδρούν στη θερμοκρασία και την πίεση με τρόπους αντίθετους από αυτούς που παρατηρούν οι επιστήμονες στις συνηθισμένες ουσίες.
Στα περισσότερα υλικά, η ψύξη προκαλεί συστολή και αύξηση της πυκνότητας. Με βάση αυτό το πρότυπο, το νερό θα έπρεπε να φτάνει στη μέγιστη πυκνότητά του όταν παγώνει. Αντίθετα, ο πάγος επιπλέει και το υγρό νερό είναι στην πραγματικότητα πιο πυκνό στους 4 βαθμούς Κελσίου.
Αυτός είναι ο λόγος που το ψυχρότερο νερό παραμένει κάτω από το θερμότερο στις λίμνες και τους ωκεανούς. Όταν το νερό ψύχεται κάτω από τους 4 βαθμούς, αρχίζει να διαστέλλεται ξανά. Εάν το καθαρό νερό ψυχθεί κάτω από τους 0 βαθμούς (όπου η κρυστάλλωση πραγματοποιείται αργά), αυτή η διαστολή συνεχίζεται και μάλιστα επιταχύνεται καθώς η θερμοκρασία πέφτει περαιτέρω.
Άλλες ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της συμπιεστότητας και της θερμοχωρητικότητας, συμπεριφέρονται επίσης με ολοένα και πιο ασυνήθιστους τρόπους καθώς η θερμοκρασία μειώνεται.
Καταγράφοντας την κρυφή κατάσταση του νερού με λέιζερ ακτίνων Χ
Για να διερευνήσουν αυτές τις περίεργες συμπεριφορές, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν εξαιρετικά γρήγορους παλμούς ακτίνων Χ που παρήχθησαν από ισχυρά λέιζερ στη Νότια Κορέα.
Οι παλμοί αυτοί, τούς επέτρεψαν να παρατηρήσουν το νερό σε κατάσταση υπέρψυξης, ακριβώς προτού μετατραπεί σε πάγο.
«Το ιδιαίτερο ήταν ότι καταφέραμε να χρησιμοποιήσουμε ακτίνες Χ με ασύλληπτη ταχύτητα προτού παγώσει ο πάγος και μπορέσαμε να παρατηρήσουμε πώς η μετάβαση υγρού-υγρού εξαφανίζεται και αναδύεται μια νέα κρίσιμη κατάσταση», λέει ο Anders Nilsson, Καθηγητής Χημικής Φυσικής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης.
«Για δεκαετίες υπήρχαν εικασίες και διαφορετικές θεωρίες για να εξηγήσουν αυτές τις αξιοσημείωτες ιδιότητες και μία θεωρία ήταν η ύπαρξη ενός κρίσιμου σημείου. Τώρα βρήκαμε ότι υπάρχει ένα τέτοιο σημείο».
Δύο υγρές μορφές του νερού και μια κρίσιμη μετάβαση
Σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης, το νερό μπορεί να υπάρξει σε δύο διακριτές υγρές φάσεις με διαφορετικές δομές μοριακών δεσμών. Καθώς οι συνθήκες μεταβάλλονται, αυτές οι δύο μορφές συγχωνεύονται σε μία ενιαία φάση στο κρίσιμο σημείο.
Κοντά σε αυτό το σημείο, το σύστημα γίνεται εξαιρετικά ασταθές και το νερό μεταβάλλεται ταχύτατα μεταξύ των δύο υγρών καταστάσεων ή μιγμάτων αυτών.
Οι διακυμάνσεις αυτές, εκτείνονται σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και πιέσεων, φτάνοντας ακόμη και σε κανονικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτές οι συνεχείς μεταβολές είναι που προσδίδουν στο νερό τα ασυνήθιστα χαρακτηριστικά του.
Πέρα από το κρίσιμο σημείο, το νερό εισέρχεται σε μια υπερκρίσιμη κατάσταση, και υπό καθημερινές συνθήκες, βρίσκεται ήδη σε αυτό το καθεστώς.
Ένα φαινόμενο «τύπου Μαύρης Τρύπας» στη δυναμική του νερού
Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι η μοριακή κίνηση επιβραδύνεται δραματικά καθώς το νερό πλησιάζει το κρίσιμο σημείο. «Φαίνεται σχεδόν σαν να μην μπορείς να δραπετεύσεις από το κρίσιμο σημείο αν εισέλθεις σε αυτό, σχεδόν σαν μια Μαύρη Τρύπα», λέει ο Robin Tyburski, ερευνητής Χημικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης.
«Είναι εκπληκτικό πώς οι άμορφοι πάγοι, μια τόσο διεξοδικά μελετημένη κατάσταση του νερού, έτυχε να γίνουν η είσοδός μας στην κρίσιμη περιοχή. Αποτελεί μεγάλη έμπνευση για τις μετέπειτα μελέτες μου και μια υπενθύμιση των δυνατοτήτων για νέες ανακαλύψεις σε πολυμελετημένα θέματα, όπως το νερό», λέει η Aigerim Karina, μεταδιδακτορική ερευνήτρια Χημικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης.
«Ήταν ένα όνειρο που έγινε πραγματικότητα το να μπορέσουμε να μετρήσουμε το νερό σε τόσο χαμηλές συνθήκες θερμοκρασίας χωρίς να παγώσει», λέει ο Ιάσονας Ανδρώνης, διδακτορικός φοιτητής Χημικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης. «Πολλοί ονειρεύτηκαν να βρουν αυτό το κρίσιμο σημείο, αλλά τα μέσα δεν ήταν διαθέσιμα πριν από την ανάπτυξη των λέιζερ ακτίνων Χ».
«Βρίσκω εξαιρετικά συναρπαστικό το γεγονός ότι το νερό είναι το μόνο υπερκρίσιμο υγρό σε συνθήκες περιβάλλοντος όπου υπάρχει ζωή, και γνωρίζουμε επίσης ότι δεν υπάρχει ζωή χωρίς το νερό. Είναι μια απλή σύμπτωση ή υπάρχει κάποια ουσιαστική γνώση που πρέπει να αποκτήσουμε στο μέλλον;» λέει ο Φοίβος Περάκης, αναπληρωτής καθηγητής Χημικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης.
Η διεθνής συνεργασία που οδήγησε στην ανακάλυψη
Η έρευνα αυτή πραγματοποιήθηκε με τη συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης, του Πανεπιστημίου POSTECH και του PAL-XFEL στη Νότια Κορέα, της Εταιρείας Max Planck, του Πανεπιστημίου Johannes Gutenberg στη Γερμανία και του Πανεπιστημίου St. Francis Xavier στον Καναδά. Στους συντελεστές περιλαμβάνονται οι Aigerim Karina, Robin Tyburski, Ιάσονας Ανδρώνης και Φοίβος Περάκης, μαζί με πρώην μέλη της ομάδας Χημικής Φυσικής του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης.
«Επικρατεί έντονη διαμάχη σχετικά με την προέλευση των παράξενων ιδιοτήτων του νερού για πάνω από έναν αιώνα, από τις πρώιμες εργασίες του Βίλχελμ Ρέντγκεν», εξηγεί ο Anders Nilsson. Οι ερευνητές που μελετούν τη φυσική του νερού μπορούν πλέον να καταλήξουν στο μοντέλο ότι το νερό έχει ένα κρίσιμο σημείο στο καθεστώς της υπέρψυξης. «Το επόμενο στάδιο είναι να βρούμε τις επιπτώσεις αυτών των ευρημάτων στη σημασία του νερού σε φυσικές, χημικές, βιολογικές, γεωλογικές και κλιματικές διεργασίες. Μια μεγάλη πρόκληση για τα επόμενα χρόνια».
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου