Scheikundigen hebben supergekoeld water afgekoeld tot een recordtemperatuur. Zo toonden ze aan dat water zich als twee verschillende vloeistoffen tegelijk gedraagt.
Supergekoeld water – vloeibaar water dat tot onder het vriespunt is gebracht zonder dat het de mogelijkheid kreeg om te bevriezen – houdt chemici al decennialang bezig. Uit eerder onderzoek bleek dat de mate waarin watermoleculen samenkruipen, oftewel hun dichtheid, sterker varieert wanneer het water extreem lage temperaturen heeft.
Sindsdien zijn er steeds meer aanwijzingen dat deze variaties erop duiden dat de vloeistof in werkelijkheid uit twee verschillende vloeistofsoorten bestaat. In het ene geval bevinden watermoleculen zich dichter bij elkaar. In het andere geval zit er wat meer ruimte tussen.
Vluchtig
Chemici worstelden met de uitdaging om deze twee verschillende vloeistofstructuren lang genoeg vast te houden om ze te kunnen bestuderen. Het duurt namelijk meestal maar een paar nanoseconden (miljardsten van een seconde) voordat supergekoeld water alsnog bevriest. Bovendien was de precieze temperatuur waarbij het water deze bizarre twee-vloeistoftoestand aan kan nemen onbekend.
Door lasers af te vuren op een extreem dun laagje ijs, wisten scheikundigen Greg Kimmel en Bruce Kay van het Pacific Northwest National Laboratory in Washington gedurende een korte periode supergekoeld vloeibaar water te maken – en te analyseren – bij veel lagere temperaturen dan voorheen is gelukt.
Tijdens de fractie van een seconde waarin het water in zijn supergekoelde toestand was, maakten het team beelden van de vloeistofstructuur met behulp van infraroodspectroscopie. Deze methode maakt gebruik van de manier waarop infrarood licht door moleculen reist.
Ze herhaalden het experiment verschillende keren, en zagen steeds variaties in de dichtheid van de supergekoelde vloeistof. Die meting komt overeen met de twee-vloeistoffen-hypothese.
Belangrijk puzzelstukje
Het onderzoeksteam wist vast te stellen bij welke temperaturen supergekoeld water tussen de twee vloeistofvormen schommelt: tussen ongeveer -93 en -33 graden Celsius. ‘Dit is een belangrijk puzzelstukje dat we voorheen nog niet hadden’, zegt het team.
Door met de temperatuur te spelen, ontdekte het team bovendien dat je de verhouding tussen de twee vloeistofsoorten kunt aanpassen. Dat wijst erop dat het twee-vloeistoffen-fenomeen niet domweg verklaard kan worden door water dat tot ijs kristalliseert. ‘We merkten dat er iets geks gebeurt voordat het echt kristalliseert’, zegt Kimmel.
Unieke chemie
‘Water heeft veel vreemde eigenschappen’, zegt chemisch-fysicus Anders Nilsson van de Universiteit van Stockholm in Zweden. Hij voegt toe dat dit de eerste keer is dat er zo’n duidelijk experimenteel bewijs is van de twee vloeistofstructuren.
‘De vele fenomenen die te maken hebben met het microscopische gedrag van water zijn van groot belang in ons leven’, zegt materiaalwetenschapper Paola Gallo van de Roma Tre-universiteit in Italië. Als we de unieke chemie van water begrijpen, kunnen we beter voorspellen hoe het goedje zich gedraagt onder ongewone omstandigheden, zoals in de ruimte, aldus Gallo.