PDF Basket
Vatten är ett märkligt ämne. De flesta material krymper och blir tätare när det blir kallt, men vatten når sin maxdensitet vid 4 °C och börjar expandera igen när det närmar sig sin fryspunkt.
Om så inte var fallet skulle inte is kunna flyta på vatten, och haven skulle frysa nerifrån och upp, så att liv på jorden skulle bli en omöjlighet.
Anledningen till att vatten beter sig så här är en grundläggande fråga inom kemin, som studerats och debatterats länge. Men trots diverse hypoteser har det inte gjorts många konkluderande experimentella tester.
Det är särskilt vid låg temperatur och högt tryck som vattnet blir särskilt märkbart egendomligt. I det EU-finansierade projektet WATER, som stöds av Europeiska forskningsrådet, har man för första gången avslöjat vattnets molekylära beteende precis innan det fryser.
Teamet var först med att använda röntgenlaser till detta slags experiment. ”De flesta tyckte att ett experiment för att visa vätske-vätskeövergången skulle bli för knepigt. Men vi klarade av det med våra röntgenlaserstrålar som pulserade på nanosekunder till millisekunder”, säger projektsamordnaren Anders Nilsson.
Den kritiska punkten i vätske-vätskeövergången
Med vätske-vätskeövergång menas den punkt där en vätska omvandlas till en annan samtidigt som den behåller samma kemiska beståndsdelar, genom en process som kallas fasövergång. WATER-teamet ville undersöka vattnets vätske-vätskeövergång i ”ingenmanslandet” med låg temperatur och högt tryck.
Teamet hade redan påvisat att vatten vid atmosfäriskt tryck bara har en fas. Men de upptäckte att när temperaturen sänks och trycket ökar, finns det två faser. Det som särskilt intresserade dem var möjligheten att det finns en kritisk punkt som utgör gränsen mellan dessa två regioner.
”Vid denna kritiska punkt ligger vatten mittemellan en enfas- och en tvåfasregion, och beter sig som om det inte kan bestämma sig för vilken av de två vätskorna det vill vara – en vätska med hög densitet eller med låg. Så den skiftar hela tiden form mellan dem båda”, tillägger Nilsson.
Supersnabba röntgenlasrar
Det svåra med att påvisa denna vätske-vätskeövergång är att när vatten underkyls inom området -35 till -70 °C, bildas det is så fort att de vanliga experimentverktygen inte är tillräckligt snabba för att registrera fluktuationerna längs isgränsen. För att kompensera för detta ändrade teamet trycket från högt till lågt snabbare än frysprocessen, så att de kunde bevittna den tryckdrivna vätske-vätskeövergången.
Som hjälp med att fånga upp fenomenet använde teamet en ultrasnabb röntgenlaser på acceleratorlaboratoriet i Pohang i Sydkorea. Denna kan åstadkomma röntgenpulser mot proverna i en kvadriljondels sekund långa intervall.
”Även om röntgenstrålar rör sig med ljusets hastighet kan den elektromagnetiska strålningen, om den är särskilt intensiv, förstöra proverna innan det har registrerats någonting. Vår röntgenlaserstråle är så snabb att den tar den signal vi vill ha innan provet bryts sönder”, förklarar Nilsson.
Genom de mätningar som åstadkommits vid experimenten har man kunnat upprätta ett diagram som spårar förhållandet mellan temperatur och tryck, och som innehåller en linje – känd som Widomlinjen – som prickar in den gränszon där vattnet fluktuerar mellan att bete sig som en och två vätskor.
”Jag misstänker att den kritiska punkten inte ligger vid så höga tryck som 2 000 bar, som man trodde tidigare, utan i själva verket kring 300–500 bar”, säger Nilsson. ”Genom detta kan vi förklara planetära fenomen som t.ex. hur livet i havet utvecklades. Vattnet längst ner i havet är normalt omkring 4 °C vid sin maximala densitet, tack vare den kritiska punkten. Om det blir kallare blir det mindre tätt och därmed stiger det, vilket ger en cirkulation där värme och näringsämnen överförs och blir avgörande för livet.”
Inget liv utan vatten
WATER är i grunden ett vetenskapligt projekt, men resultaten av det kan få ett antal praktiska följder. Som Nilsson konstaterar: ”Vi började med att fokusera på vatten i stora mängder, men nu vill vi förstå hur vattnet förändras i porer, kontaktytor och biomolekyler. Det är till nytta för ett antal sektorer och användningsområden.”
Stigande globala temperaturer kommer sannolikt att orsaka mer torka i hela södra Europa, men om vi får en bättre uppfattning om hur vattnet beter sig inuti filtreringsmembranens porer vid avsaltning, kan det innebära bättre tillgång till rent vatten.
Dessutom finns det mycket energiteknik, t.ex. bränsleceller, vätgasbildande vattendelning och artificiell fotosyntes, där processen äger rum i kontaktytorna mellan vatten och fast form – där vattenfluktuationernas påverkan fortfarande inte är känd.
Ett genombrott på hälsoområdet som ännu inte utforskats skulle kunna vara att bättre förstå vattnets roll inuti cellerna, där det kan visa sig vara en integrerad del av livsprocesserna. ”De insikter vi får kan användas i undersökningar av hur fluktuerande vattenbeteende kan möjliggöra kommunikation mellan biomolekyler. Om så är fallet vet vi inte det just nu”, avslutar Nilsson.
Teamet arbetar just nu med att lösa covid-orsakade dröjsmål med att direkt observera själva den kritiska punkten.