Delen:
Ontdekt water bestaat uit twee vloeistoffen
Vloeibaar water bestaat in twee varianten: High Density Liquid (HDL) en Low Density Liquid (LDL), die nu bij zeer lage temperaturen zijn gedetecteerd, maar niet kunnen worden gebotteld. Dit wordt aangetoond door röntgenonderzoek bij DESY en het Argonne National Laboratory in de VS. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Stockholm presenteert nu zijn ontdekking in de Proceedings of the US Academy of Sciences (PNAS).
Water bestaat uit twee verschillende vloeistoffen (Image: GianlucaCiroTancredi / fotolia.com) De onderzoekers rond Anders Nilsson hadden zogenaamd amorf ijs onderzocht. Deze glasachtige vorm van waterijs is al decennia bekend. Het is zeldzaam op aarde en komt niet voor in het dagelijks leven, maar het meeste van het waterijs in het zonnestelsel bestaat in deze amorfe vorm. In plaats van een massief kristal - zoals een ijsblokje uit het vriesvak - heeft het ijs de vorm van ongeordende moleculaire ketens, wat meer overeenkomt met de interne structuur van een glas. Amorf ijs kan bijvoorbeeld worden gemaakt door vloeibaar water zo snel af te koelen dat de moleculen geen tijd hebben om een geordende kristalstructuur te vormen.
"Amorf ijs bestaat in twee varianten, een met een hoge dichtheid en een met een lagere dichtheid", legt DESY-natuurkundige Felix Lehmkühler van het onderzoeksteam uit. De twee varianten worden High Density Amorphous Ice (HDA) en Ambride Ice met lage dichtheid (LDA) genoemd. "HDA-ijs heeft een dichtheid van ongeveer 25 procent hoger dan LDA-ijs", zegt Lehmkühler. "Wetenschappers hebben zich lang afgevraagd of deze twee soorten ijs geen overeenkomstige varianten in vloeibaar water hebben. Dit is erg moeilijk te meten. Zelfs als er beide varianten in vloeibaar water zijn, zijn ze constant aan het mixen, veranderen ze in elkaar en is er geen manier om de twee te scheiden. "
Bij het omzetten van HDA-ijs in LDA-ijs neemt het ijsvolume spontaan met ongeveer een kwart toe. Dit kon al worden waargenomen vóór het huidige onderzoek. Foto's: Katrin Amann-Winkel / Filippo Cavalca, Universiteit van Stockholm
De onderzoekers hebben deze hindernis nu overwonnen bij lage temperaturen. In het laboratorium van Stockholm bereidde Katrin Amann-Winkel vooral zuivere monsters van HDA-ijs. In het Argonne National Laboratory in de VS merkten wetenschappers dat de interne structuur van dit ijs verandert bij verhitting tussen minus 150 graden en minus 140 graden Celsius, en transformeert het in een vorm met lagere dichtheid.
Op het meetstation P10 van DESY's röntgenbron PETRA III, waren de onderzoekers in staat om de dynamiek van deze fasetransformatie te volgen. Hieruit bleek dat de conversie plaatsvindt via een vloeistof: ten eerste wordt het HDA-ijs omgezet in een vloeibare vorm met een hoge dichtheid, waarna deze "High Density Liquid" (HDL) wordt omgezet in een vorm met lagere dichtheid ("Low Density Liquid", LDL) is. Dit bewijst het bestaan van de twee verdachte varianten van vloeibaar water - althans bij zeer lage temperaturen. Het extreem diepgevroren water is zo visceus dat de twee vloeibare fasen slechts heel langzaam in elkaar overgaan en zich vermengen en zo worden gemeten.
"Het nieuwe opmerkelijke kenmerk dat we hebben waargenomen, is dat water kan bestaan als twee verschillende vloeistoffen, bij lage temperaturen waar kristallisatie van ijs langzaam is", legt onderzoeksdirecteur Nilsson, hoogleraar chemische fysica aan de universiteit van Stockholm, uit. "Het is heel spannend dat we met röntgenstraling de relatieve posities van de moleculen op verschillende tijdstippen kunnen bepalen", voegt Fivos Perakis van de universiteit van Stockholm samen met Amann-Winkel's hoofdauteur van de studie toe. "In het bijzonder waren we in staat om de transformatie van het monster tussen de twee fasen bij lage temperaturen te volgen en laten we zien dat de diffusie begint zoals typisch is voor vloeistoffen."
Voor het dagelijks leven verandert de ontdekking van de twee varianten van vloeibaar water niets. Voor de wetenschap is het echter een belangrijke stap in het begrijpen van deze buitengewone vloeistof. "Zo simpel water lijkt, hoe vreemd het ook gedraagt in vergelijking met andere vloeistoffen", legt Lehmkühler van het DESY Research Group coherent röntgenstraalverstrooiing door professor Gerhard Grübel, die ook co-auteur van de studie en werkt als senior wetenschapper bij DESY.
"Water is zoveel anomalieën - dichtheid, warmtecapaciteit en thermische geleidbaarheid zijn slechts drie van enkele tientallen eigenschappen die verschillen in water dan de meeste andere vloeistoffen zijn," zegt Lehmkühler. "Veel van deze eigenschappen zijn de basis voor het bestaan van leven, want zonder water en de bijzondere kenmerken is het leven zoals wij dat kennen, niet mogelijk is." De studie van het water niet alleen heeft dus groot belang en is een gebied, dat ook DESY versterkt zijn inzet. Nieuwe röntgenbronnen als regelrecht in bedrijf Europese röntgenlaser Europese XFEL waarvan hoofdaandeelhouder is DESY of uitbreiding van DESY synchrotron stralingsbron Petra III voor de volgende generatie zal Petra IV kunnen onderzoekers om verder uit te breiden op onbekend terrein van het water fasediagram.
Bij toekomstig onderzoek hopen de wetenschappers de vraag te beantwoorden, onder andere of de twee soorten vloeibaar water ook bij kamertemperatuur aanwezig zijn. Er is geen fundamentele reden dat ze alleen zouden moeten bestaan bij lage temperaturen. "De nieuwe resultaten ondersteunen sterk het beeld waarin water bij kamertemperatuur niet kan beslissen welke van de twee vormen te veronderstellen, hoge of lage dichtheid, wat leidt tot lokale fluctuaties tussen de twee," zei co-auteur Lars Pettersson, professor in Theoretische chemische fysica aan de universiteit van Stockholm. "In een notendop, water is geen gecompliceerde vloeistof, maar twee eenvoudige vloeistoffen in een gecompliceerde relatie."
Ook betrokken waren de Universiteit van Innsbruck, het Royal Institute of Technology (KTH) Stockholm en het US Research Center SLAC. (Sb, pm)
Origineel werk:
"Diffusive dynamiek bij de overgang van hoog naar laag dichtheid in amorfe ice"; Fivos Perakis, Katrin Amann hoek, Felix Lehmkühler, Michael sprong, Daniel Marie Dahl, Jonas A. Verkopen Berg, Harshad Pathak, Alexander SPAH, Filippo Cavalca, Daniel Schlesinger, Alessandro Ricci, Avni Jain, Bernhard Massani, Flora Aubree, Chris J. Benmore Thomas Loerting, Gerhard Grübel, Lars GM Pettersson en Anders Nilsson; Proceedings van de National Academy of Sciences, 2017; DOI: 10.1073 / pnas.1705303114