Forscher beweisen, dass Wasser mehrere flüssige Zustände hat
Neue Veröffentlichung zeigt, dass Wasser als zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte existieren kann
Wasser ist eine allgegenwärtige Flüssigkeit mit vielen höchst einzigartigen Eigenschaften. Die Art und Weise, wie es auf Druck- und Temperaturänderungen reagiert, kann völlig anders sein als bei anderen uns bekannten Flüssigkeiten, und diese Eigenschaften sind für viele praktische Anwendungen und insbesondere für das Leben, wie wir es kennen, von wesentlicher Bedeutung. Was diese Anomalien verursacht, war lange Zeit eine Quelle der wissenschaftlichen Inspiration mit verschiedenen theoretischen Erklärungen, aber jetzt hat ein internationales Forscherteam, zu dem auch Nicolas Giovambattista, Professor am Graduate Center, CUNY und Lehrstuhlinhaber für den Fachbereich Physik am Brooklyn College, gehört, bewiesen, dass Wasser in zwei verschiedenen flüssigen Zuständen existieren kann - eine Erkenntnis, die viele der anomalen Eigenschaften von Wasser erklären kann. "Die Möglichkeit, dass Wasser in zwei verschiedenen flüssigen Zuständen existieren kann, wurde vor etwa 30 Jahren vorgeschlagen, basierend auf Ergebnissen von Computersimulationen", sagte Giovambattista. "Diese kontraintuitive Hypothese ist seit ihren Anfängen eine der wichtigsten Fragen in der Chemie und Physik des Wassers und ein umstrittenes Szenario. Der Grund dafür ist, dass Experimente, die Zugang zu den beiden flüssigen Zuständen in Wasser haben, wegen der scheinbar unvermeidlichen Eisbildung bei den Bedingungen, unter denen die beiden Flüssigkeiten existieren sollten, sehr schwierig waren.
Die obige Grafik bietet einen konzeptionellen Überblick darüber, wie Wasser in zwei flüssigen Zuständen existieren kann, die durch eine dünne Grenzfläche getrennt sind. Die untere Flüssigkeit ist dichter als die obere, da sie aus Wassermolekülen besteht, die kompakter gepackt sind.
Jerker Lokrantz and Anders Nilsson
Der übliche "flüssige" Zustand von Wasser, den wir alle kennen, entspricht flüssigem Wasser bei normalen Temperaturen (etwa 25 Grad Celsius). Das Paper zeigt jedoch, dass Wasser bei niedrigen Temperaturen (ca. -63 °C) in zwei verschiedenen flüssigen Zuständen existiert, einer Flüssigkeit niedriger Dichte bei niedrigen Drücken und einer Flüssigkeit hoher Dichte bei hohen Drücken. Diese beiden Flüssigkeiten haben merklich unterschiedliche Eigenschaften und unterscheiden sich um 20% in der Dichte. Die Ergebnisse implizieren, dass Wasser bei geeigneten Bedingungen als zwei nicht mischbare Flüssigkeiten vorliegen sollte, die durch eine dünne Grenzfläche getrennt sind, ähnlich der Koexistenz von Öl und Wasser.
Da Wasser eine der wichtigsten Substanzen auf der Erde ist - das Lösungsmittel des Lebens, wie wir es kennen -, spielt sein Phasenverhalten eine fundamentale Rolle in verschiedenen Bereichen, einschließlich der Biochemie, des Klimas, der Kryokonservierung, der Kryobiologie, der Materialwissenschaft und in vielen industriellen Prozessen, in denen Wasser als Lösungsmittel, Produkt, Reaktant oder Verunreinigung wirkt. Daraus folgt, dass ungewöhnliche Eigenschaften im Phasenverhalten von Wasser, wie z.B. das Vorhandensein von zwei flüssigen Zuständen, zahlreiche wissenschaftliche und technische Anwendungen beeinflussen können.
"Es bleibt eine offene Frage, wie das Vorhandensein von zwei Flüssigkeiten das Verhalten von wässrigen Lösungen im Allgemeinen und im Besonderen, wie die beiden Flüssigkeiten Biomoleküle in wässrigen Umgebungen beeinflussen können", sagte Giovambattista. "Dies motiviert zu weiteren Studien bei der Suche nach potenziellen Anwendungen". Giovambattista ist Mitglied des Doktorandenprogramms für Physik und Chemie am Graduiertenzentrum der City University of New York (CUNY).
Das internationale Team unter der Leitung von Anders Nilsson, Professor für chemische Physik an der Universität Stockholm, verwendete komplexe Experimente und Computersimulationen, um diese Theorie zu beweisen. Die von Giovambattista als "science-fiction-like" bezeichneten Experimente wurden von Kollegen der Universität Stockholm in Schweden, der Universität POSTECH in Korea, des PAL-XFEL in Korea und des nationalen Beschleunigerlabors SLAC in Kalifornien durchgeführt. Die Computersimulationen wurden von Giovambattista und Peter H. Poole, Professor an der St.-Francis-Xavier-Universität in Kanada, durchgeführt. Die Computersimulationen spielten bei der Interpretation der Experimente eine wichtige Rolle, da diese Experimente äußerst komplex sind und einige Beobachtungen während der Experimente nicht zugänglich sind.
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