Vatten reagerar ovanligt på mycket låga temperaturer. Låt oss börja med det faktum att när det svalnar, till skillnad från logiken, krymper inte vattnet utan expanderar (det är därför isen har egenskapen till flytkraft). Kallt vatten är mindre komprimerbart än varmt vatten. Vid frysning kan vattenmolekyler dessutom ändra position på alla möjliga sätt.
Allt detta är svårt att hitta en förklaring, och de befintliga teorierna orsakar hård kontrovers i vetenskapliga kretsar. En av dem formulerades för nästan tre decennier sedan och var att isvatten kan existera i två olika flytande former, varav en har en mindre tät struktur. Med andra ord finns det två slags vatten, som var och en är en separat vätska. Det är svårt att bevisa denna teori i ett laboratorium, men italienska forskare har lyckats hitta bevis för att försvara den. Studien publicerades nyligen i tidskriften Science.
I sin studie föreslår forskarna Pablo Debenedetti och Gul H. Zerze från Princeton University och Francesco Shortico från La Sapienza i Rom att den "andra kritiska punkten för vatten" uppstår vid temperaturer från -83 till -100 grader och vid atmosfärstryck nästan 2000 gånger högre än trycket över havet. Den kritiska punkten är det enda temperatur- och tryckvärdet vid vilket två faser av ett ämne blir oskiljbara och detta händer strax innan ämnet passerar från en fas till en annan. Vatten har till exempel en välkänd kritisk punkt i övergången från vätska till ånga.
"Föreställ dig vår glädje när vi såg att kritiska fluktuationer fortsätter precis som vi förväntade oss, - förklarar Sortino, - nu kan jag sova lugnt, för efter 25 år har min idé äntligen hittat bekräftelse."
Fram till nu kunde experiment med verkliga vattenmolekyler för att testa den andra kritiska punkten med "superkylning" vatten inte ge entydiga bevis på dess existens. Detta beror till stor del på att iskallt vatten vanligtvis förvandlas till is, sade Debenedetti.
Av denna anledning beslutade forskarna att använda sig av datormodeller. Processen är verkligen mödosam: trots moderna superdatorers höga kraft, tillbringade forskare 18 månader på att göra nödvändiga beräkningar för att skapa modeller.
Vid simuleringar, när temperaturen fortfarande var långt ifrån fryspunkten, började vattentätheten att variera kraftigt. Som ett resultat lyckades forskarna hitta den kritiska punkten som de letade efter i två olika datormodeller av vatten. För att hitta den kritiska punkten för vatten i båda modellerna användes olika beräkningsmetoder samtidigt.
Liksom med övergången från vätskefasen till gasfasen kan isvatten förändras i två olika faser, beroende på hur dess molekyler omorganiseras. I en vätska med låg densitet grupperas således fyra molekyler runt en central molekyl för att bilda en tetrahedron. Men i en vätska med en högre densitet kommer den sjätte molekylen in, vilket leder till en ökning av densiteten.
Kampanjvideo:
I sin artikel skriver forskarna att "inom gränserna för våra beräkningsmöjligheter har förekomsten av en metastabil kritisk punkt i stadiet för djup kylning av vattenmolekyler har bevisats."
Naturligtvis måste nu denna slutsats bekräftas med andra experiment, "med hjälp av mer exakta och dyra beräkningsmedel."
