Νερό: Η νέα διαφορετική φύση του όταν ωθείται σε ακραίες θερμοκρασίες
Για περισσότερα από τριάντα χρόνια, οι επιστήμονες αναζητούν απάντηση στο μυστήριο του νερού και της ασυνήθιστης συμπεριφοράς του. Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Anders Nilsson από το Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης παρουσίασε για πρώτη φορά άμεσες πειραματικές αποδείξεις ότι το νερό διαθέτει ένα δεύτερο κρίσιμο σημείο στη λεγόμενη υπερψυχόμενη κατάστασή του. Σύμφωνα με τη μελέτη, το σημείο αυτό εντοπίζεται περίπου στους –63°C και σε πίεση χίλιες φορές μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science.
Η ανακάλυψη, που παρουσιάστηκε από το phys.org, επιτεύχθηκε με τη βοήθεια υπερσύντομων παλμών ακτίνων Χ στο Εργαστήριο Επιταχυντή Pohang της Νότιας Κορέας. Η τεχνική αυτή επέτρεψε στους ερευνητές να εξετάσουν το υγρό νερό πριν προλάβει να παγώσει, ξεπερνώντας έτσι το πρόβλημα της ταχύτατης κρυστάλλωσης κάτω από τους –38°C. Η περιοχή αυτή, γνωστή στους φυσικούς ως «γη του μηδενός», παρέμενε μέχρι σήμερα σχεδόν απρόσιτη.
«Το ιδιαίτερο στοιχείο ήταν ότι καταφέραμε να βομβαρδίσουμε με ακτίνες Χ αφάνταστα γρήγορα προτού παγώσει ο πάγος και μπορέσαμε να παρατηρήσουμε πώς η μετάβαση υγρού-υγρού εξαφανίζεται και αναδύεται μια νέα κρίσιμη κατάσταση», δήλωσε ο Nilsson. «Για δεκαετίες υπήρχαν εικασίες και διαφορετικές θεωρίες για να εξηγήσουν αυτές τις αξιοσημείωτες ιδιότητες, και μία θεωρία ήταν η ύπαρξη ενός κρίσιμου σημείου. Τώρα έχουμε διαπιστώσει ότι ένα τέτοιο σημείο υπάρχει».
Επιβεβαίωση μιας θεωρίας 34 ετών
Η υπόθεση για τη διπλή υγρή φάση του νερού διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1992 από τους Peter Poole, Francesco Sciortino και H. Eugene Stanley. Οι επιστήμονες αυτοί, μέσω υπολογιστικών προσομοιώσεων, είχαν προβλέψει την ύπαρξη δύο διακριτών υγρών φάσεων — μιας υψηλής και μιας χαμηλής πυκνότητας — που διαχωρίζονται από μια φασική μετάβαση, η οποία καταλήγει σε κρίσιμο σημείο.
Αργότερες μελέτες, μεταξύ των οποίων και μία του 2020 από τους Sciortino και Pablo Debenedetti του Πανεπιστημίου Princeton, ενίσχυσαν τη θεωρία μέσω προσομοιώσεων. Ωστόσο, η πειραματική επιβεβαίωση παρέμενε άπιαστη έως σήμερα. Η νέα έρευνα αποκάλυψε επίσης ότι κοντά στο κρίσιμο σημείο η μοριακή δυναμική του νερού επιβραδύνεται δραματικά. «Φαίνεται σχεδόν σαν να μην μπορείς να ξεφύγεις από το κρίσιμο σημείο αν μπεις σε αυτό, σχεδόν σαν μια μαύρη τρύπα», σημείωσε ο ερευνητής Robin Tyburski.
Τα ευρήματα δεν περιορίζονται στις εξωτικές συνθήκες του εργαστηρίου. Σε θερμοκρασίες και πιέσεις πολύ υψηλότερες από το κρίσιμο σημείο, τα μόρια του νερού ταλαντεύονται ανάμεσα σε διατάξεις υψηλής και χαμηλής πυκνότητας. Αυτές οι διακυμάνσεις εξηγούν πολλές από τις ιδιαιτερότητες του νερού, όπως το μέγιστο της πυκνότητάς του στους 4°C, καθώς και τη μοναδική συμπιεστότητα και θερμοχωρητικότητά του.
«Οι ερευνητές που μελετούν τη φυσική του νερού μπορούν πλέον να συμφωνήσουν στο μοντέλο ότι το νερό έχει ένα κρίσιμο σημείο στην υπερψυχόμενη περιοχή», τόνισε ο Nilsson. «Το επόμενο στάδιο είναι να εντοπίσουμε τις επιπτώσεις αυτών των ευρημάτων στη σημασία του νερού σε φυσικές, χημικές, βιολογικές, γεωλογικές και κλιματικές διαδικασίες».