Chemicy odkrywają punkt zamarzania przechłodzonej wody

Łatwo sobie wyobrazić, że woda musi być jednym z najlepiej poznanych materiałów w nauce. W końcu płyn ten jest prawdopodobnie najlepiej zbadaną substancją na Ziemi. Ale prawda jest taka, że ​​wiele jego właściwości wciąż zadziwia naukowców.

Jedną z nierozwiązanych zagadek jest jego punkt zamarzania. Naukowcy od wielu lat wiedzą, że można schłodzić ciekłą wodę znacznie poniżej zera stopni Celsjusza bez jej zamarzania. Dzieje się tak, ponieważ woda potrzebuje pewnego zdarzenia zarodkowania, aby uruchomić proces tworzenia się lodu. Bez zarodkowania lodu pozostaje płynny.

Ale jak nisko możesz zejść?

Dzisiaj mamy coś w rodzaju odpowiedzi dzięki pracy Emily Moore i Valerii Molinero z Uniwersytetu Utah w Salt Lake City.

Częściowo problem polega na tym, że eksperymenty pomiaru temperatury zamarzania są tak trudne do przeprowadzenia, że ​​nikt nimi nie poradził. Ale dowody wskazują na prawdopodobieństwo, że kryształki lodu i tak zaczną się tworzyć w temperaturach około -41 C.

Przechłodzona woda powinna zamarznąć w tej temperaturze, ale nikomu nie udało się jej zmierzyć, ponieważ zawsze zaczyna zamarzać wcześniej.

Moore i Molinero obchodzą ten problem, symulując na komputerze zachowanie ponad 250 000 cząsteczek wody w zamrażaniu. Odkryli, że gdy zacznie się naturalny proces tworzenia lodu, woda nie może pozostać płynna w znacznie niższych temperaturach.

W rzeczywistości ich symulacja wskazuje, że naturalny punkt zamarzania przechłodzonej wody wynosi około -43°C, tuż poniżej temperatury, w której kryształki lodu tworzą się naturalnie. Jest to zgodne z oczekiwaniami, ale symulacja daje również nowy wgląd w sposób, w jaki zachodzi to zamrożenie.

W tym stanie woda jest mieszaniną lodu o niskiej gęstości i cząsteczek wody, które są na skraju przekształcenia się w lód, co chemicy nazywają czterema skoordynowanymi, co oznacza, że ​​każda cząsteczka jest połączona z czterema innymi. Struktura czterech skoordynowanych wód wydaje się mieć istotny wpływ na tempo tworzenia się lodu i to właśnie określa punkt zamarzania.

Jest jednak ważne zastrzeżenie. Symulacje wymagają poważnej korekty, zanim przyniosą fizycznie realistyczny wynik. Z jakiegoś powodu sugerują, że naturalne tworzenie się lodu zaczyna zachodzić przy około -71 C, a przechłodzona woda zamarza przy około -73 C.

To o 30 stopni mniej niż w prawdziwym świecie. Aby obejść ten problem, Moore i Molinero po prostu dodają 30 stopni do wszystkich swoich wyników. Nie jest jasne, dlaczego symulacja jest tak bardzo nieaktualna.

Jeśli jednak praca jest ważna, może mieć duży wpływ na inne dziedziny nauki.

Temperatura, w której przechłodzona woda zamarza, jest ważnym czynnikiem w tworzeniu się chmur. A małe zmiany w tym procesie, wprowadzone do modeli zmian klimatycznych, mogą mieć duży wpływ na przewidywania dotyczące przyszłości Ziemi.

Dokładnie, w jaki sposób nowe liczby zmienią prognozy klimatyczne, nie jest jeszcze jasne. I oczywiście klimatolodzy będą potrzebować lepszych dowodów niż nieco chybiona symulacja komputerowa. Ale jest to przyzwoity krok naprzód i warto zwracać uwagę na jego wpływ w innych dziedzinach nauki.

Ref: arxiv.org/abs/1107.1622: Transformacja strukturalna w przechłodzonej wodzie kontroluje szybkość krystalizacji lodu

ukryć