Ilyen a víz a senki földjén

A víz az egyik legkülönösebb folyadék. Még rendkívül alacsony hőmérsékleten is folyékony maradhat, és ilyenkor különös, alig ismert szerkezetet vesz fel. Amerikai kutatóknak sikerült közelebb jutniuk annak megfejtéséhez, hogyan rendeződnek el a vízmolekulák ebben a „senki földjének” nevezett hőmérsékleti tartományban.

Egyszerű molekulaszerkezete ellenére a víznek sok különös tulajdonsága van. Szilárd alakja kevésbé sűrű, mint a folyékony halmazállapota, ezért úszik a jég a vízen. Nagy mennyiségű hőt képes elnyelni, amelyet messzire szállítanak az óceáni áramlatok, és így jelentős hatást gyakorol az éghajlatra. Különleges sűrűségi profilja pedig megakadályozza, hogy a tengerek és a tavak a fenekükig befagyjanak, ami lehetővé teszi, hogy a halak túléljék a telet.

Ezek a tulajdonságok még felerősödnek, amikor a tisztított vizet túlhűtik (ez az úgynevezett szuperhűtött víz). Amikor a víz rendkívül tiszta – nincs benne a jégkristály-képződést megindító mag – folyékony maradhat a normálisnál sokkal alacsonyabb hőmérsékleten. A víznek a körülbelül -41 Celsius-foktól a -113 Celsius-fokig terjedő hőmérsékleti tartományát senki földjének nevezik a szakemberek. A kutatók évtizedek óta keresik a lehetőséget, hogy jobban felderíthessék, mi történik a vízmolekulákkal -41 Celsius-fok alatti hőmérsékleten, de eddig jórészt csak elméletekre és modellekre támaszkodhattak.

A szupergyors röntgenlézer-impulzus segít a még folyékony szuperhűtött víz szerkezetének meghatározásában Forrás: Greg Stewart/SLAC

Most az amerikai SLAC Nemzeti Gyorsító Laboratórium kutatóinak sikerült közelebb jutniuk a kérdés kísérleti megoldásához. A Linac Koherens Fényforrás (Linac Coherent Light Source, azaz LCLS) röntgenlézer kvadrilliomod (10^_-24) másodperces impulzusai lehetővé tették számukra, hogy pillanatfelvételeket készíthessenek a víz részletes molekulaszerkezetéről ebben a rejtélyes hőmérséklet-tartományban egy pillanattal az előtt, hogy a víz megfagyna.

A Nature-ben közzétett kutatás kimutatta, hogy a víz molekuláris szerkezete folyamatosan átalakul, amint ebbe a hőmérsékleti tartományba lép, és további hűtéssel a szerkezeti változások sokkal drámaibban gyorsulnak fel, mint azt az elméleti modellek jósolták.

A vízmolekulák (balra egy) szuperhűtéskor egyre gyorsabban piramisszerű szerkezetet vesznek fel (jobbra) Forrás: Greg Stewart/SLAC

A kísérletben a kutatók apró vízcseppekből álló egyenletes áramlást hoztak létre egy vákuumkamrában. Miközben a cseppecskék a lézersugár felé haladtak, folyadéktartalmuk egy része gyorsan elpárolgott, így szuperhűtötték a maradék folyadékot. (Hasonló folyamat hűt bennünket is, amikor izzadunk.) A vízcseppek által megtett út szabályozásával a kutatók képesek voltak finomhangolni a hőmérsékletüket, amit a röntgenlézersugárba belépéskor értek el.

A kutatást vezető Anders Nilsson és csoportja azt reméli, hogy sikerül még alacsonyabb hőmérséklet-tartományba is lehatolni, ahol a víz üveges – nem kristályos – szilárd halmazállapotba alakul. Azt is meg akarják határozni, vajon a szuperhűtött víz elér-e egy olyan kritikus pontot, ahol a szokatlan tulajdonságok csúcspontra érnek, és ha igen, mi ez a hőmérséklet.

A víz állapotváltozásai a hőmérséklet és a nyomás függvényében Forrás:Greg Stewart/SLAC, Ultrafast Chemical Physics Group/University of Glasgow, Scotland