Bilim Adamları Suyun Donmadan Hemen Öncesindeki Gizli Bir Kritik Noktayı Keşfetti

Çeşitli basınç ve sıcaklık hileleriyle bilim insanları suyu standart donma noktasının oldukça altında bile sıvı halde tutabiliyor. Önceki çalışmalar, bu özel aşamada suyun iki ayrı faza ayrıldığını öne sürmüştü – hem yüksek yoğunluklu bir sıvı hem de düşük yoğunluklu bir sıvı.

Bu yeni çalışmada, uluslararası bir araştırma ekibi bu sıvı-sıvı durumuna dair daha doğrudan kanıtlar elde etti; ayrıca suyun moleküler yapısı açısından tek bir ancak oldukça dalgalı bir duruma geçtiği bir kritik noktanın varlığını da ortaya koydu.

Bu su durumlarını doğru şekilde gözlemlemek oldukça zor olmuştur, çünkü bunlar suyun donup buza dönüşmesinin tam sınırında bulunur. Bu bölge, doğru ölçümler yapmaya çalışmak açısından bir “kimsenin toprağı değil” (no man's land) olarak tanımlanmıştır.

“Özel olan şey, buz donmadan önce inanılmaz bir hızla X-ışını görüntüleri alabilmemiz ve sıvı-sıvı geçişinin nasıl ortadan kaybolduğunu ve yeni bir kritik durumun nasıl ortaya çıktığını gözlemleyebilmemizdi,” diyor İsveç’teki Stockholm Üniversitesi’nden kimyasal fizikçi Anders Nilsson.

“On yıllardır bu olağanüstü özellikleri açıklamak için çeşitli spekülasyonlar ve teoriler vardı ve bunlardan biri de bir kritik noktanın varlığıydı. Şimdi böyle bir noktanın gerçekten var olduğunu bulduk.”

Hızlı ısıtma (kızılötesi lazerler aracılığıyla) ve son derece hızlı anlık görüntüler (X-ışınları aracılığıyla) bu deneyler için kritik öneme sahipti. Araştırmacılar tarafından oluşturulan buz, sıvı-sıvı durumdan geçirilerek kritik noktayı aştı ve dalgalı duruma ulaştı; tüm bu süreç boyunca en küçük zaman ölçeklerinde gözlemler yapıldı.

Kesin kritik nokta henüz tam olarak belirlenmemiş olsa da, bu çalışma sınırları önemli ölçüde daraltıyor. Araştırmacılar bunun yaklaşık -63 °C (-81.4 °F) ve 1000 atmosfer civarında olduğunu düşünüyor, bu da gelecekteki çalışmalar için yol gösterici olacak.

Üstelik bu kritik nokta bir kara deliğe benzer görünüyor. Su ona yaklaştıkça, sıvının sistem dinamikleri yavaşlıyor ve yapısal değişimler çok daha uzun sürüyor. Bu da sıvının bu geçişten kaçınmasını imkansız hale getiriyor.

Bu keşifler kulağa oldukça soyut ve yalnızca fizikçileri ilgilendiriyor gibi gelebilir, ancak aslında suyun nasıl çalıştığına (ve neden bu kadar garip davranabildiğine) dair temel anlayışımızı geliştiriyor. Bu durum, suyun Dünya’da ve ötesinde dahil olduğu neredeyse her şey için önem taşıyor – ki bu oldukça fazla bir şey.

“Su fiziği üzerinde çalışan araştırmacılar artık suyun aşırı soğutulmuş rejimde bir kritik noktaya sahip olduğu model üzerinde uzlaşabilir,” diyor Nilsson.

“Bir sonraki aşama, bu bulguların suyun fiziksel, kimyasal, biyolojik, jeolojik ve iklimle ilgili süreçlerdeki önemi üzerindeki etkilerini ortaya çıkarmak.”

Suyun tuhaflığını görmek için yalnızca buz küplerine bakmak yeterlidir. Maddeler soğudukça genellikle büzülür ve daha yoğun hale gelir – ancak su için bu geçerli değildir; bu yüzden buz küpleri bardağın dibine batmak yerine üstünde yüzer.

Suyun en yaygın halleri dışında da pek çok garip özelliği vardır; bunlar arasında burada incelenen iki farklı sıvı davranışı da bulunur. Bu çalışma ileriye doğru atılmış bir adımdır, ancak hâlâ cevaplanması gereken pek çok soru vardır.

Suyu diğer sıvılardan ayıran bir diğer özellik ise bildiğimiz kadarıyla yaşam için vazgeçilmez olmasıdır. Araştırmacılar bu yönde keşif yapmaya devam etmek istiyor.

“Su, yaşamın var olduğu ortam koşullarında süperkritik olan tek sıvıdır ve aynı zamanda su olmadan yaşamın olmadığını da biliyoruz; bu beni çok heyecanlandırıyor,” diyor Stockholm Üniversitesi’nden kimyasal fizikçi Fivos Perakis.

“Bu sadece bir tesadüf mü yoksa gelecekte öğrenmemiz gereken temel bir bilgi mi var?”