Eksperimentalno otkrivena nova kritična tačka u vodi pomoću rendgenskih lasera

Istraživači sa Stokholmskog univerziteta uspeli su da utvrde postojanje kritične tačke u superohlađenoj vodi na oko -63 stepena Celzijusova i 1000 atmosfera.

Obična voda na višim temperaturama i nižim pritiscima snažno je pogođena prisustvom ove kritične tačke, što dovodi do porekla njenih čudnih osobina.

Preporučujemo

Voda, sveprisutna i bitna za život na Zemlji, ponaša se vrlo čudno u poređenju sa drugim supstancama. Način na koji gustina, specifična toplota, viskoznost i stišljivost vode reaguju na promene pritiska i temperature potpuno je suprotan nego kod drugih poznatih tečnosti.

Sva materija se skuplja kad se hladi, čime se povećava njena gustina. Stoga bi se očekivalo da voda ima veliku gustinu na tački zamrzavanja. Međutim, gledajući čašu ledene vode, sve je obrnuto - kocke leda plutaju. Čudno za tečno stanje, voda je najgušća na 4 stepena, i stoga ostaje na dnu, bilo da je u čaši bilo da je u okeanu.

Ako ohladite vodu na temperaturu ispod 4 stepena, ponovo počinje da se širi. Ako nastavite da hladite čistu vodu (kad je stopa kristalizacije niska) ispod 0 stepeni, nastavlja da se širi – širenje se čak ubrzava kad postaje hladnije. Mnoge druge osobine, kao što su stišljivost i toplotni kapacitet, postaju sve čudnije dok se voda hladi.

Sad su istraživači sa Stokholmskog univerziteta, pomoću ultrakratkih rendgenskih pulseva rendgenskih lasera u Južnoj Koreji, uspeli da utvrde da voda ima kritičnu tačku pri dubokom superhlađenju i da ta kritična tačka predstavlja izvor čudnih osobina.

„Uspeli smo da upotrebimo rendgen neverovatno brzo pre nego što se led stvrdnuo i posmatramo kako tranzicija tečnost–tečnost nestaje i pojavljuje se novo kritično stanje“, kažu naučnici. „Decenijama postoje spekulacije i različite teorije za objašnjenje ovih izvanrednih osobina, a jedna teorija je postojanje kritične tačke. Sad smo otkrili da takva tačka postoji“.

Voda je specijalna jer može postojati u dve tečne makroskopske faze koje različito povezuju molekule vode pri niskoj temperaturi i visokom pritisku. Kad se temperatura poveća, a pritisak smanji, postoji stanje u kom razlika između dve tečne faze nestaje i prisutna je samo jedna faza. To je tačka velike nestabilnosti, sa fluktuacijama u širokom regionu temperature i pritiska sve do uslova sredine. Voda fluktuira između dve tečne faze i mešavina dve faze kao da ne može da se odluči. Upravo te fluktuacije daju vodi njene neobične osobine. Stanje iza kritične tačke naziva se superkritično i izvorna voda je u tom stanju.

Još jedno izvanredno otkriće je da dinamika sistema usporava dok ulazi u kritičnu tačku. „Izgleda gotovo kao da ne možete pobeći iz kritične tačke ako ste ušli u nju, skoro kao crna rupa“, kažu naučnici.

„Neverovatno je kako su amorfni ledovi, veoma izučavano stanje vode, postali naš ulaz u kritični region. Bilo je to ostvarenje sna – mogućnost merenja vode pri tako niskoj temperaturi bez zamrzavanja. Mnogi su sanjali o pronalaženju ove kritične tačke, ali sredstva nisu bila dostupna pre razvoja rendgenskih lasera“.

Veoma je uzbudljivo što je voda jedina superkritična tečnost u uslovima okruženja gde postoji život, a takođe znamo da nema života bez vode, kažu istraživači. Da li je ovo puka slučajnost ili postoji neka suštinska spoznaja do koje treba da dođemo u budućnosti?

Duže od jednog veka se vodi intenzivna rasprava o poreklu čudnih osobina vode. Istraživači koji proučavaju fiziku vode sad dobijaju model da voda ima kritičnu tačku u superohlađenom režimu. Sledeći korak je da se otkriju implikacije ovih nalaza po značaj vode u fizičkim, hemijskim, biološkim, geološkim i klimatskim procesima.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)