Hunter
-48 Celsiusig maradhat folyékony a víz
Az amerikai Utah Egyetem kémikusainak sikerült megfejteni egy újabb vízzel kapcsolatos rejtélyt, bebizonyítva, hogy a víz egészen -48 Celsius fokig képes folyékony maradni.
Ez pontosan 48 Celsiusszal hidegebb az emberek többsége által fagypontként ismert 0 Celsiusnál. Az úgynevezett szuperhűtött folyékony víznek -48 fokon kell jéggé válnia, ami elsősorban annak köszönhető, hogy a vízmolekula elektronszerkezete a tetraéderes elrendezést preferálja, vagyis ha lehetséges minden egyes vízmolekula négy másikhoz kapcsolódik, taglalja Valeria Molinero és Emily Moore új tanulmányukban.
A víz sűrűsége a hőmérséklettel változik, legnagyobb sűrűségét 3,8 Celsius fokon éri el, a legdöbbenetesebb tulajdonsága azonban, hogy jóval 0 fok alatt is folyadék marad, hangsúlyozza Molinero. A légköri kutatások során -40 Celsius fokos folyékony vizet is észleltek a felhőkben, illetve több tudományos kísérlet bizonyította, hogy legalább -41 fokig létezhet folyékony víz. Vajon miért nem fagy meg a víz szükségszerűen 0 Celsius fokon, ahogy azt az iskolában tanultuk?
"Ha folyékony vízből jeget akarunk készíteni, akkor először egy kis jégmagot kell létrehoznunk a folyadékból" – mondta Molinero, hozzátéve, hogy nagyon tiszta vízben, amiben nincsenek szennyeződések, vagy olyan részecskék, ami körül a szükséges mag kialakulhat, ezt a H2O szokatlan termodinamikája miatt nehéz elérni.
A felfedezés arra utal, hogy ez a szerkezeti változás, ami a folyadékból egy "átmeneti jeget" képez, megmagyarázza a víz fagyásához szükséges hőmérséklet körüli ellentmondásokat. "Az átmeneti jég szerkezete a jég teljes szerkezete és a folyadék szerkeze között helyezkedik el" - tette hozzá Molinero a Nature-ben megjelent tanulmányában. "Ezzel megoldottunk egy nagyon régi rejtélyt, ami a szuperhűtött vízben lezajló folyamatokat övezte"
A folyékony víz egy vízmolekulákból (H2O) álló hálózat, amiket gyenge hidrogénkötés tart össze. Molinero elmondása szerint a vízjég - hőmérsékletétől és nyomásától függően - 16 különböző kristályos formát képes felvenni. "Az teszi annyira különlegessé a vizet, hogy a folyékony víz teljesen másként viselkedik más folyadékokhoz viszonyítva. Például a jég lebeg a vízen, miközben a legtöbb szilárd anyag lesüllyed folyékony megfelelőjében, mert azok sűrűbbek a folyadékoknál"
Szuperhűtött vizet egészen -41 fokig mértek, bár a tudósok régóta gyanítják, hogy a hőmérséklet, amin a víznek feltétel nélkül meg kell fagynia, valamivel még ennél is alacsonyabb. Mindazonáltal -41 Celsius az a legalacsonyabb hőfok, amin a jég kristályosodási aránya még mérhető a víz fagyása során, ez alatt a jég túl gyorsan kristályosodik ahhoz, hogy a fennmaradó folyadék bármilyen tulajdonsága mérhető legyen. A probléma áthidalásához Molinero és Moore az egyetem Nagy Teljesítményű Számítástechnikai Központjának számítógépeit használta, szimulálva a szuperhűtött víz viselkedését, valós adatokkal modellezve azt. Molinero és Moore egy olyan új számítógépes modellt tervezett meg, ami kétszázszor gyorsabb elődeinél. A modell minden háromatomos vízmolekulára egy részecskeként tekintett, jelentősen leegyszerűsítve a számolást.
Ennek ellenére is több ezer órányi számítási időt vett igénybe egy parányi vízcseppet felépítő 32.768 vízmolekula viselkedésének szimulálása, hogy abból megállapítható legyen a víz hőkapacitása, sűrűsége és sűríthetősége a szuperhűtés során, illetve szimulálhatóvá váljon a jég kristályosodásának üteme. A számítógépek segítettek a kutatópárosnak megállapítani milyen hideggé válhat a víz, mielőtt elérné elméleti maximális kristályosodási arányát és megfagy. A válasz: -48 Celsius fok.
Amikor a víz eléri ezt a hőmérsékletet, szokatlan csökkenés megy végbe a sűrűségében, miközben hőkapacitása és sűríthetősége jelentősen nő. Ennek eredményeként minden molekula gyenge kötést létesít négy másik társával, piramis alakú, tetraéderes alakzatot véve fel. Ez a furcsa termodinamika egybevág a folyékony víz tetraéderes szerkezetbe rendeződésével.
Hogy hogyan és milyen hőmérsékleten kell megfagynia a víznek, az jóval több puszta tudományos kíváncsiságnál. A globális felmelegedést tanulmányozó légköri tudósok azt szeretnék megtudni, hogy milyen hőmérsékleteken és arányokon fagy meg és kristályosodik jéggé a víz. "Erre azért van szükség, hogy meg tudják jósolni, mennyi víz van a légkörben folyékony, illetve kristályos állapotban, amiből megállapítható, hogy mennyi napsugárzást nyel el a légköri víz és jég" - magyarázta Molinero. "Ez a globális éghajlati előrejelzések szempontjából fontos"
Ez pontosan 48 Celsiusszal hidegebb az emberek többsége által fagypontként ismert 0 Celsiusnál. Az úgynevezett szuperhűtött folyékony víznek -48 fokon kell jéggé válnia, ami elsősorban annak köszönhető, hogy a vízmolekula elektronszerkezete a tetraéderes elrendezést preferálja, vagyis ha lehetséges minden egyes vízmolekula négy másikhoz kapcsolódik, taglalja Valeria Molinero és Emily Moore új tanulmányukban.

"Ha folyékony vízből jeget akarunk készíteni, akkor először egy kis jégmagot kell létrehoznunk a folyadékból" – mondta Molinero, hozzátéve, hogy nagyon tiszta vízben, amiben nincsenek szennyeződések, vagy olyan részecskék, ami körül a szükséges mag kialakulhat, ezt a H2O szokatlan termodinamikája miatt nehéz elérni.
A felfedezés arra utal, hogy ez a szerkezeti változás, ami a folyadékból egy "átmeneti jeget" képez, megmagyarázza a víz fagyásához szükséges hőmérséklet körüli ellentmondásokat. "Az átmeneti jég szerkezete a jég teljes szerkezete és a folyadék szerkeze között helyezkedik el" - tette hozzá Molinero a Nature-ben megjelent tanulmányában. "Ezzel megoldottunk egy nagyon régi rejtélyt, ami a szuperhűtött vízben lezajló folyamatokat övezte"
A folyékony víz egy vízmolekulákból (H2O) álló hálózat, amiket gyenge hidrogénkötés tart össze. Molinero elmondása szerint a vízjég - hőmérsékletétől és nyomásától függően - 16 különböző kristályos formát képes felvenni. "Az teszi annyira különlegessé a vizet, hogy a folyékony víz teljesen másként viselkedik más folyadékokhoz viszonyítva. Például a jég lebeg a vízen, miközben a legtöbb szilárd anyag lesüllyed folyékony megfelelőjében, mert azok sűrűbbek a folyadékoknál"
Szuperhűtött vizet egészen -41 fokig mértek, bár a tudósok régóta gyanítják, hogy a hőmérséklet, amin a víznek feltétel nélkül meg kell fagynia, valamivel még ennél is alacsonyabb. Mindazonáltal -41 Celsius az a legalacsonyabb hőfok, amin a jég kristályosodási aránya még mérhető a víz fagyása során, ez alatt a jég túl gyorsan kristályosodik ahhoz, hogy a fennmaradó folyadék bármilyen tulajdonsága mérhető legyen. A probléma áthidalásához Molinero és Moore az egyetem Nagy Teljesítményű Számítástechnikai Központjának számítógépeit használta, szimulálva a szuperhűtött víz viselkedését, valós adatokkal modellezve azt. Molinero és Moore egy olyan új számítógépes modellt tervezett meg, ami kétszázszor gyorsabb elődeinél. A modell minden háromatomos vízmolekulára egy részecskeként tekintett, jelentősen leegyszerűsítve a számolást.

Amikor a víz eléri ezt a hőmérsékletet, szokatlan csökkenés megy végbe a sűrűségében, miközben hőkapacitása és sűríthetősége jelentősen nő. Ennek eredményeként minden molekula gyenge kötést létesít négy másik társával, piramis alakú, tetraéderes alakzatot véve fel. Ez a furcsa termodinamika egybevág a folyékony víz tetraéderes szerkezetbe rendeződésével.
Hogy hogyan és milyen hőmérsékleten kell megfagynia a víznek, az jóval több puszta tudományos kíváncsiságnál. A globális felmelegedést tanulmányozó légköri tudósok azt szeretnék megtudni, hogy milyen hőmérsékleteken és arányokon fagy meg és kristályosodik jéggé a víz. "Erre azért van szükség, hogy meg tudják jósolni, mennyi víz van a légkörben folyékony, illetve kristályos állapotban, amiből megállapítható, hogy mennyi napsugárzást nyel el a légköri víz és jég" - magyarázta Molinero. "Ez a globális éghajlati előrejelzések szempontjából fontos"