Opdaget: Vand består af to væsker

Hvis du starter morgenen med et glas varmt vand med citronsaft, gør du ikke kun noget godt for dit helbred, men du kan også reducere din vægt. (Billede: dschraudolf / fotolia.com)

Betagende opdagelse: Forskere har vist, at flydende vand består af to forskellige væsker. Disse ville interagere med hinanden. Indtil videre er de to vandvarianter fundet ved meget lave temperaturer. Fysikerne anser det for meget sandsynligt, at dette også eksisterer som stuetemperatur.

'

Der er to versioner af flydende vand: High Density Liquid (HDL) og Low Density Liquid (LDL), som nu er blevet opdaget ved meget lave temperaturer - men ikke kan aftappes.Dette vises ved røntgenundersøgelser på DESY og på Argonne National Laboratory i USA. Et internationalt forskerteam under ledelse af Stockholm Universitet præsenterer nu sin opdagelse i "Proceedings" fra US Academy of Sciences (PNAS).

Vand består af to forskellige væsker (Billede: GianlucaCiroTancredi / fotolia.com)

Anders Nilssons forskere havde undersøgt såkaldt amorf is. Denne glaslignende form for vandis har været kendt i årtier. Det er sjældent på jorden og forekommer ikke i hverdagen, men det meste af vandisen i solsystemet findes i denne amorfe form. I stedet for en fast krystal - såsom en isterning fra fryseren - er isen i form af uordnede molekylære kæder, hvilket svarer mere til et glasses indre struktur. Amorf is kan produceres for eksempel ved at afkøle flydende vand så hurtigt, at molekylerne ikke har tid til at danne en ordnet krystalstruktur.

”Amorf is findes i to varianter, en med en høj og en med en lavere tæthed,” forklarer DESY-fysiker Felix Lehmkühler fra forskergruppen. De to varianter kaldes High Density Amorphous Ice (HDA) og Low Density Amorphous Ice (LDA). "HDA-is har en tæthed omkring 25 procent højere end LDA-is," siger Lehmkühler. ”Forskere har længe undret sig over, om disse to typer is ikke har tilsvarende varianter i flydende vand. Dette er dog meget vanskeligt at måle. Selvom der er begge varianter i flydende vand, blandes de konstant og omdannes til hinanden, og der er ingen måde at adskille de to på. "

Når HDA-is omdannes til LDA-is, øges isvolumenet spontant med omkring en fjerdedel. Dette kunne allerede observeres inden den nuværende undersøgelse. Billeder: Katrin Amann-Winkel / Filippo Cavalca, Stockholms universitet
Forskerne har nu overvundet denne forhindring ved lave temperaturer. I Stockholm-laboratoriet forberedte Katrin Amann-Winkel særligt rene prøver fra HDA-is. På Argonne National Laboratory i USA observerede forskerne, at den indre struktur af denne is ændres, når den opvarmes mellem minus 150 grader og minus 140 grader Celsius - den ændres til en form for lavere tæthed i processen.

På P10-målestationen i DESYs røntgenlyskilde PETRA III var forskerne i stand til at følge dynamikken i denne faseovergang. Det viste sig, at konverteringen finder sted via en væske: Først ændres HDA-isen til en flydende form med høj densitet, derefter ændres denne "High Density Liquid" (HDL) til en form for lavere densitet ("Low Density Liquid" LDL) omkring. Dette beviser eksistensen af ​​de to mistænkte varianter af flydende vand - i det mindste ved meget lave temperaturer. Det ekstremt dybfrosne vand er så tyktflydende, at de to flydende faser konverteres og blandes meget langsomt ind i hinanden, hvilket gør dem målbare.

”Den nye bemærkelsesværdige egenskab, vi har observeret, er, at vand kan eksistere som to forskellige væsker ved lave temperaturer, hvor iskrystallisationen er langsom,” forklarer forskningsdirektør Nilsson, professor i kemisk fysik ved Stockholm Universitet. "Det er meget spændende, at vi er i stand til at bruge røntgenstråler til at bestemme molekylernes relative position på forskellige tidspunkter," tilføjer Fivos Perakis fra Stockholm Universitet sammen med Amann-Winkel, hovedforfatter af undersøgelsen. "Især var vi i stand til at følge transformationen af ​​prøven mellem de to faser ved lave temperaturer og vise, at diffusion sætter ind, som det er typisk for væsker."

Opdagelsen af ​​de to varianter af flydende vand ændrer ikke noget i hverdagen. Det er dog et vigtigt skridt for videnskaben i forståelsen af ​​denne ekstraordinære væske. "Så simpelt som vand ser ud, opfører det sig underligt i forhold til andre væsker," forklarer Lehmkühler fra DESY-forskningsgruppen om sammenhængende røntgenspredning af professor Gerhard Grübel, som også er medforfatter af undersøgelsen og arbejder som seniorforsker ved DESY.

"Vand viser så mange anomalier - tæthed, varmekapacitet og varmeledningsevne er kun tre af flere dusin egenskaber, der er forskellige i vand end i de fleste andre væsker," siger Lehmkühler. ”Mange af disse egenskaber er grundlaget for livets eksistens, for uden vand og dets særlige egenskaber er liv som vi kender det ikke muligt.” Dette er ikke den eneste grund til, at forskning i vand er af stor betydning og er en område, hvor der også er DESY mere engageret. Nye røntgenlyskilder som den europæiske røntgenlaser, som i øjeblikket er i drift, og som DESY er hovedaktionær, eller udvidelsen af ​​DESYs synkrotronkilde PETRA III til næste generation, PETRA IV, vil give forskere mulighed at trænge endnu længere ind i ukendt område af vandfasediagrammet.

Med fremtidige undersøgelser håber forskerne blandt andet at besvare spørgsmålet om, hvorvidt de to typer flydende vand også findes ved stuetemperatur. Der er ingen grundlæggende grund til, at de kun skulle eksistere ved lave temperaturer. ”De nye resultater understøtter stærkt billedet, hvor vand ved stuetemperatur ikke kan afgøre, hvilken af ​​de to former der skal antages, høj eller lavere tæthed, hvilket fører til lokale udsving mellem de to,” understreger medforfatter Lars Pettersson, professor for teoretisk kemikalie fysik ved Stockholms Universitet. "I en nøddeskal betyder dette: vand er ikke en kompliceret væske, men to enkle væsker i et kompliceret forhold."

Universitetet i Innsbruck, Royal Technical University (KTH) Stockholm og det amerikanske forskningscenter SLAC var også involveret i arbejdet. (sb, pm)

Originalværk:
"Diffusiv dynamik under overgangen mellem høj og lav densitet i amorf is"; Fivos Perakis, Katrin Amann-Winkel, Felix Lehmkühler, Michael Sprung, Daniel Mariedahl, Jonas A. Sellberg, Harshad Pathak, Alexander Späh, Filippo Cavalca, Daniel Schlesinger, Alessandro Ricci, Avni Jain, Bernhard Massani, Flora Aubree, Chris J. Benmore , Thomas Loerting, Gerhard Grübel, Lars GM Pettersson og Anders Nilsson; "Proceedings of the National Academy of Sciences", 2017; DOI: 10.1073 / pnas.1705303114

Tags.:  Indre Organer Naturopathic Praksis Ekstremiteter