PDF Basket
Woda to niezwykła substancja. Podczas gdy większość materiałów kurczy się i gęstnieje w niskich temperaturach, woda osiąga maksymalną gęstość w temperaturze 4 °C i zwiększa swoją objętość przy zamarzaniu.
Gdyby było inaczej, lód nie unosiłby się na powierzchni wody, a oceany zamarzałyby od dna ku górze, czyniąc życie na Ziemi niemożliwym.
Dlaczego woda zachowuje się właśnie w taki charakterystyczny dla siebie sposób? To fundamentalne pytanie od dawna nurtuje chemików i choć postawiono wiele hipotez, badań oferujących rozstrzygające wnioski jest niewiele.
W warunkach niskiej temperatury i wysokiego ciśnienia niezwykłe zachowanie wody jest jeszcze bardziej wymowne. Zespół unijnego projektu WATER, wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, jako pierwszy zaobserwował zachowanie wody na poziomie molekularnym tuż przez zamarznięciem.
Po raz pierwszy do przeprowadzenia tego rodzaju eksperymentu badacze wykorzystali lasery rentgenowskie. „Większość naukowców była zdania, że przeprowadzenie eksperymentu ukazującego przemianę wody ze stanu ciekłego do stanu ciekłego będzie zbyt trudne. Nam ta sztuka się udała dzięki wiązkom światła lasera rentgenowskiego pulsującego w zakresie od nanosekund do milisekund”, mówi koordynator projektu Anders Nilsson.
Punkt krytyczny przemiany cieczy w ciecz
Przemiana ze stanu ciekłego do stanu ciekłego zachodzi w punkcie, w którym jedna ciecz przechodzi w drugą, zachowując te same składniki chemiczne. Proces ten nosi nazwę przemiany fazowej. Zespół projektu WATER chciał zbadać przemianę fazową wody ze stanu ciekłego do stanu ciekłego w warunkach niskiej temperatury i wysokiego ciśnienia, które na potrzeby eksperymentu nazwał „ziemią niczyją”.
Badacze wcześniej już wykazali, że przy ciśnieniu atmosferycznym woda występuje w jednej fazie ciekłej. Tym razem odkryli, że po obniżeniu temperatury i zwiększeniu ciśnienia otrzymujemy dwie fazy. Fakt, że punkt krytyczny może wyznaczać granicę pomiędzy oboma regionami, wywołał u badaczy szczególne zaciekawienie.
„W punkcie krytycznym woda jest na granicy jednej i dwóch faz, a jej zachowanie można obrazowo opisać jako niepewność co do tego, którą z tych dwóch cieczy ma zostać – tą o wysokiej czy tą o niskiej gęstości. W rezultacie zachowuje dwoistość”, dodaje Nilsson.
Superszybkie lasery rentgenowskie
Wyzwanie polegające na scharakteryzowaniu przemiany ciecz–ciecz związane jest z tym, że gdy woda przechładza się w zakresie od -35 do -70 °C, lód powstaje tak szybko, że standardowe narzędzia doświadczalne okazują się zbyt powolne, aby wychwycić fluktuacje na granicy lodu. Dlatego badacze zmieniali ciśnienie z wysokiego na niskie szybciej niż wynosił czas zamarzania, dzięki czemu mogli być świadkami przemiany pod wpływem ciśnienia ze stanu ciekłego do stanu ciekłego.
Aby uchwycić ten moment, zespół posłużył się ultraszybkim laserem rentgenowskim znajdującym się w Pohang Accelerator Laboratory w Korei Południowej. Laser emituje pulsujące promieniowanie X do próbek w odstępach wynoszących jedną biliardową sekundy.
„Mimo że promienie X przemieszczają się z prędkością światła, jeśli promieniowanie elektromagnetyczne jest szczególnie intensywne, wówczas może zniszczyć próbkę zanim zdołamy cokolwiek zarejestrować. Wiązka naszego lasera rentgenowskiego jest na tyle szybka, że możliwe jest zarejestrowanie sygnału, na którym nam zależy, zanim próbka ulegnie zniszczeniu”, wyjaśnia Nilsson.
Pomiary uzyskane w ramach doświadczeń pozwoliły na stworzenie wykresu śledzącego zależności pomiędzy temperaturą a ciśnieniem i wykreślenie prostej, zwaną prostą Widoma, która wyznacza strefę graniczną, w której woda fluktuuje, zachowując się jak dwie ciecze w jednej.
„Podejrzewam, że wbrew wcześniejszym przypuszczeniom punkt krytyczny nie występuje w warunkach wysokiego ciśnienia, czyli nie tyle 2 000 barów, co około 300–500 barów”, mówi Nilsson. „To może tłumaczyć zjawiska zachodzące na naszej planecie, takie jak ewolucja życia w morzach i oceanach. Woda na dnie oceanu ma temperaturę około 4 °C przy maksymalnej gęstości, co zawdzięczamy punktowi krytycznemu. Gdy temperatura spada, zmniejsza się gęstość wody i staje się ona lżejsza, co umożliwia cyrkulację i transfer ciepła oraz składników odżywczych niezbędnych do życia”.
Bez wody nie ma życia
Wyniki naukowego projektu WATER, który stawia fundamentalne pytania, mogą przełożyć się na szereg praktycznych zastosowań. Jak przekonuje Nilsson: „Na początku koncentrowaliśmy się na wodzie jako takiej, lecz teraz chcemy dowiedzieć się, jakie zmiany zachodzą w porach, biomolekułach i na styku faz, co jest szczególnie ważne dla wielu sektorów i zastosowań”.
Z uwagi na fakt, że wzrost temperatur na świecie może powodować częstsze susze na południu Europy, dokładniejsze poznanie zachowania wody w porach filtrów membranowych do odsalania może pomóc w zwiększeniu dostępności czystej wody.
Ponadto wiele technologii energetycznych, takich jak ogniwa paliwowe, rozszczepianie wody na wodór czy sztuczna fotosynteza opiera się na procesach zachodzących na styku fazy ciekłej i stałej, gdzie wpływ fluktuacji wody pozostaje nieznany.
Jeżeli zaś chodzi o obszar zdrowia to niezwykle cenne może okazać się lepsze poznanie roli wody wewnątrz komórek, gdzie stanowi ona nieodłączny element procesów życiowych. „Nasze wnioski mogą pomóc w ustaleniu, czy i jak zachowanie wody przekłada się na komunikację między biomolekułami. Póki co nie wiemy, czy tak rzeczywiście jest”, podsumowuje Nilsson.
Zespół chce teraz nadrobić opóźnienia spowodowane pandemią COVID-19 i rozpocząć bezpośrednie obserwacje punktu krytycznego.