Oamenii de știință au descoperit un „punct critic” ascuns în apă care ar putea explica în cele din urmă comportamentul său bizar, care permite viața.
Cercetătorii de la Universitatea din Stockholm au folosit lasere cu raze X avansate pentru a descoperi o caracteristică suspectată de mult timp a apei: un punct critic care apare atunci când apa este superrăcită profund. Acest lucru se întâmplă la aproximativ -63 °C și 1000 de atmosfere. Chiar și în condiții de zi cu zi, acest punct ascuns influențează modul în care se comportă apa, ajutând la explicarea multora dintre proprietățile sale neobișnuite. Rezultatele au fost publicate în revista Science.
Apa este peste tot și esențială pentru viață, totuși nu se comportă ca majoritatea celorlalte lichide. Proprietăți precum densitatea, capacitatea termică, vâscozitatea și compresibilitatea răspund la temperatură și presiune în moduri opuse față de ceea ce văd oamenii de știință în substanțele tipice. În majoritatea materialelor, răcirea le face să se contracte și să devină mai dense. Pe baza acestui model, apa ar trebui să atingă densitatea maximă atunci când îngheață. În schimb, gheața plutește, iar apa lichidă este de fapt cea mai densă la 4 grade C. De aceea, apa mai rece rămâne sub apa mai caldă în lacuri și oceane.
Când apa este răcită sub 4 grade, începe să se extindă din nou. Dacă apa pură este răcită sub 0 grade (unde cristalizarea se întâmplă lent), această expansiune continuă și chiar accelerează pe măsură ce temperatura scade și mai mult. Alte proprietăți, inclusiv compresibilitatea și capacitatea termică, se comportă, de asemenea, în moduri din ce în ce mai neobișnuite pe măsură ce temperatura scade.
Pentru a investiga aceste comportamente ciudate, oamenii de știință au folosit impulsuri de raze X extrem de rapide generate de lasere puternice din Coreea de Sud. Aceste impulsuri le-au permis să observe apa într-o stare superrăcită chiar înainte de a se transforma în gheață.
"Ceea ce a fost special a fost că am putut face radiografii incredibil de repede înainte ca gheața să înghețe și am putut observa modul în care tranziția lichid-lichid dispare și apare o nouă stare critică", spune Anders Nilsson, profesor de fizică chimică la Departamentul de Fizică al Universității din Stockholm. "Timp de zeci de ani au existat speculații și diferite teorii pentru a explica aceste proprietăți remarcabile și o teorie a fost existența unui punct critic. Acum am descoperit că un astfel de punct există."
La temperaturi scăzute și presiune ridicată, apa poate exista ca două faze lichide distincte, cu structuri moleculare de legătură diferite. Pe măsură ce condițiile se schimbă, aceste două forme se îmbină într-o singură fază în punctul critic. În apropierea acestui punct, sistemul devine foarte instabil, iar apa trece rapid între cele două stări lichide sau amestecuri ale acestora. Aceste fluctuații se extind pe o gamă largă de temperaturi și presiuni, ajungând chiar și la condiții de mediu normale. Oamenii de știință cred că aceste schimbări constante sunt ceea ce îi conferă apei caracteristicile sale neobișnuite. Dincolo de punctul critic, apa intră într-o stare supercritică, iar în condiții de zi cu zi, ea există deja în acest regim.
Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că mișcarea moleculară încetinește dramatic pe măsură ce apa se apropie de punctul critic. "Se pare aproape că nu poți scăpa de punctul critic dacă ai intrat în el, aproape ca o gaură neagră", spune Robin Tyburski, cercetător în fizică chimică la Universitatea din Stockholm.
"Este uimitor cum ghețele amorfe, o stare a apei atât de intens studiată, au ajuns să devină intrarea noastră în regiunea critică. Este o mare inspirație pentru studiile mele ulterioare și o reamintire a posibilităților de a face descoperiri în subiecte mult studiate, cum ar fi apa", spune Aigerim Karina, Postdoc în fizică chimică la Universitatea din Stockholm.
"A fost un vis devenit realitate să pot măsura apa în condiții de temperatură atât de scăzută fără îngheț", spune Iason Andronis, student la doctorat în fizică chimică la Universitatea din Stockholm. "Mulți au visat să găsească acest punct critic, dar mijloacele nu au fost disponibile înainte de dezvoltarea laserelor cu raze X."
"Consider că este foarte interesant că apa este singurul lichid supercritic în condiții ambientale în care există viață și știm, de asemenea, că nu există viață fără apă. Este o pură coincidență sau există unele cunoștințe esențiale pe care să le dobândim în viitor?" spune Fivos Perakis, profesor asociat în fizică chimică la Universitatea din Stockholm.
"A existat o dezbatere intensă despre originea proprietăților ciudate ale apei timp de peste un secol de la lucrările timpurii ale lui Wolfgang Röntgen", explică Anders Nilsson. "Cercetătorii care studiază fizica apei se pot stabili acum asupra modelului conform căruia apa are un punct critic în regimul superrăcit. Următoarea etapă este să găsim implicațiile acestor constatări asupra importanței apei în procesele fizice, chimice, biologice, geologice și climatice. O mare provocare în următorii câțiva ani."
Această cercetare a implicat colaborarea între Universitatea din Stockholm, Universitatea POSTECH și PAL-XFEL din Coreea de Sud, Societatea Max Planck, Universitatea Johannes Gutenberg din Germania și Universitatea St. Francis Xavier din Canada. Printre colaboratori s-au numărat Aigerim Karina, Robin Tyburski, Iason Andronis și Fivos Perakis, împreună cu foști membri ai grupului de fizică chimică de la Universitatea din Stockholm.