A Stockholm Egyetem fizikusai történelmi áttörést értek el, amikor sikerült kísérletileg igazolniuk a folyékony víz egy elméletileg régóta sejtett, különleges állapotát. A kutatócsoport ultrafényes lézerek segítségével vizsgálta a nagyon alacsony hőmérsékleten lévő, szuperhűtött vizet, mielőtt az jéggé alakulhatott volna. A mérések során olyan jelenségeket figyeltek meg, mint a hőkapacitás robbanásszerű növekedése és kritikus fluktuációk, amelyek egy hosszú ideje keresett átmenet, az úgynevezett kritikus pont létezését támasztják alá.
A kísérlet kulcsa az volt, hogy a tudósok röntgenlézerekkel képesek voltak „megfagyasztani” az időt, és olyan gyorsan vizsgálni a folyamatot, amilyen gyorsan az sem történik meg. „Képesek voltunk elképzelhetetlenül gyorsan röntgenezni, még mielőtt a víz befagyott, és megfigyelni, hogyan tűnik el a folyadék-folyadék átmenet, és hogyan jelenik meg egy új, kritikus állapot” – magyarázta Anders Nilsson professzor. Ez a kritikus pont körülbelül 210 Kelvin hőmérsékleten (kb. -63 Celsius fok) és 1000 atmoszféra nyomáson található a szuperhűtött vízben.
A víz egyedülálló anyag, mivel alacsony hőmérsékleten és magas nyomáson két különböző folyadékfázisban létezhet, amelyekben a vízmolekulák eltérő módon kapcsolódnak egymáshoz. Amikor a hőmérséklet emelkedik és a nyomás csökken, elérjük azt a pontot, ahol a két folyadékfázis közötti különbség eltűnik, és csak egyetlen fázis marad. Ez a pont rendkívüli instabilitást jelent, amely fluktuációkat idéz elő.
A víz döntésképtelensége és a kritikus pont
Ez a kritikus pont egy nagy instabilitás forrása, amely fluktuációkat gerjeszt egy széles hőmérsékleti és nyomástartományban, egészen a szobahőmérsékletig és légköri nyomásig. A víz folyamatosan ingadozik a két folyadékállapot között, illetve ezek keverékei között, mintha nem tudna dönteni. Pontosan ezek a fluktuációk adják a víznek számos szokatlan tulajdonságát, amelyek nélkülözhetetlenek az élet számára.
A kritikus ponton túli állapotot szuperkritikusnak nevezik, és érdekes módon a környezeti körülmények között a mindennapi vízünk is ebben az állapotban van. A tanulmány egy másik figyelemre méltó megállapítása, hogy a rendszer dinamikája lelassul, amikor belép a kritikus pont közelébe. „Majdnem úgy tűnik, mintha nem lehetne kiszabadulni a kritikus pontból, ha egyszer bekerültél oda, majdnem olyan, mint egy fekete lyuk” – hasonlította Dr. Robin Tyburski.
A kutatásban kulcsszerepet játszottak az amorf jégképződmények, amelyeket hevesen felmelegítettek infravörös, ultra-gyors lézerimpulzusokkal, majd röntgenszórással elemeztek a keletkező folyadékállapotot. „Lenyűgöző, hogy az amorf jég, a víz ilyen alaposan tanulmányozott állapota, vált a kritikus régióba való belépésünk kapujává” – mondta Dr. Aigerim Karina posztdoktorális kutató.
Mit jelent ez a felfedezés a jövő számára
A felfedezés lehetőséget nyújt arra, hogy a tudósok végre egy konszenzusos modell köré csoportosulhassanak a víz különleges viselkedésének magyarázatára. „A víz fizikáját kutatók most már összefoghatnak azon a modellen, hogy a víznek van egy kritikus pontja a szuperhűtött tartományban” – jelentette ki Nilsson professzor. Ez lezárhatja a több mint egy évszázados intenzív vitát, amely Wolfgang Röntgen korai munkáitól kezdve folyik a víz rejtélyes tulajdonságainak eredetéről.
A következő lépés annak feltárása, hogy ezek az eredmények milyen hatással vannak a víz szerepére a fizikai, kémiai, biológiai, geológiai és éghajlati folyamatokban. Ez egy jelentős kihívás lesz az elkövetkező években. Ahogy Dr. Fivos Perakis megjegyezte: „Nagyon izgalmas, hogy a víz az egyetlen szuperkritikus folyadék környezeti körülmények között, ahol élet létezik, és azt is tudjuk, hogy nincs élet víz nélkül. Vajon ez pusztán véletlen egybeesés, vagy van itt valami alapvető tudás, amit a jövőben meg kell szereznünk?”
A kísérlet végrehajtása forradalmi technológiai fejlesztéseket igényelt. „Álom volt valóra válni, hogy képesek voltunk ilyen alacsony hőmérsékleti körülmények között vizet mérni anélkül, hogy az megfagyott” – mondta Iason Andronis doktorandusz. Sokak álma volt megtalálni ezt a kritikus pontot, de az eszközök nem álltak rendelkezésre a röntgenlézerek fejlesztése előtt. Ez a munkája a Science folyóiratban jelent meg, és új fejezetet nyit a legfontosabb folyadékunk, a víz alapvető természetének megértésében.
© POSTECH University.
Forrás: Sci.news↗̱
