Forskare vid Stockholms universitet har med hjälp av röntgenlaserstudier lyckats kartlägga hur vatten fluktuerar mellan två olika tillstånd när det kyls ner. Vid -44 grader Celsius når dessa fluktuationer ett maximum vilket tyder på att vatten kan existera som två helt olika vätskor. Resultaten publiceras nu i den vetenskapliga tidskriften Science.
Vatten är den mest vardagliga av alla vätskor och helt avgörande för vår existens på jorden, men rent fysiskt en mycket märklig substans. Hur vattnet reagerar på förändringar i tryck och temperatur när det gäller till exempel täthet, värmekapacitet, viskositet och kompressabilitet skiljer sig helt ifrån andra vätskor.
Vi vet att alla ämnen komprimeras när det kyls vilket gör att tätheten ökar. Vi skulle därför förvänta oss att vatten har högre täthet vid fryspunkten där det kan finnas is. Om vi tittar på ett glas isvatten är allt är upp och ned, för egentligen borde isen och vatten med sin högsta täthet finnas i botten på glaset. Vatten har dock sin högsta densitet vid 4 grader Celsius, och det fyrgradiga vattnet lägger sig därför på botten, i glaset såväl som till havs.
Kyler man ner vatten under fyra grader expanderar det igen. Fortsätter man kyla ner mycket rent vatten (som endast långsamt fryser) till under nollpunkten fortsätter det expandera, faktisk snabbare ju kallare det blir. Nu har forskare vid Stockholm universitet med hjälp av superkorta röntgenpulser vid anläggningar i Japan och Sydkorea lyckats konstatera att många av vattnets märkliga egenskaper når ett maximum vid -44 grader C.
Vid minus 44 och vanligt tryck kan man se spår av att vatten kan existera som två distinkta vätskor med olika sätt att binda ihop vattenmolekylerna. Vattnet kan inte bestämma sig för vilken form att vara i utan fluktuerar emellan dessa två. Vi kan likna det med när vi skall göra ett val och kan inte bestämma oss utan går fram och tillbaka. Det är den här förmågan att förvandlas från en vätska till en annan genom fluktuationer som ger vatten dess märkliga egenskaper.
– Det speciella är att vi har lyckat röntga vatten oerhört fort innan det fryser till is, och se hur det fluktuerar mellan dess olika tillstånd, säger Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet. Det har spekulerats i decennier runt flera olika teorier att förklara att de märkliga egenskaperna blir så kraftigt förstärkta när vatten underkyls. Nu har vi hittat att ett sådant maximum inträffar vilket tyder på ett det finns en kritisk punkt i närheten men vid något högre tryck. Nu kan forskningsfältet runt vattnets fysik komma till ro med en förklaringsmodell. Nästa steg är att direkt besöka denna kritiska punkt. En stor utmaning för de närmaste åren.
Studien har gjorts i samarbete med KTH, PAL-XFEL i Sydkorea och SACLA i Japan. I studien medverkade också Kyung Hwan Kim, Alexander Späh, Harshad Pathak, Fivos Perakis, Katrin Amann-Winkel och Daniel Mariedahl ifrån Stockholms universitet.
Det nyligen publicerade arbetet Maxima in the Thermodynamic Response and Correlation Functions of Deeply Supercooled Water av Kyung Hwan Kim och Alexander Späh et al. kan läsas HÄR
