Su, Aşırı Soğutulduğunda İki Sıvı Haline Geliyor ve Onların Doğasını Öğrenmeye Başlıyoruz

Su çok soğuduğunda, hala sıvı kalırken, moleküller daha büyük yapılar halinde bir araya gelebilirler. Bunu iki şekilde yapabilirler, bu da çok farklı yoğunluklara sahip sıvıları ayırmaya yol açar. Yeni araştırmalar, bu süper moleküllerin şekillerine ve her bir sıvının doğası hakkında ne söylediğine ışık tuttu.

Donma noktasının çok altındaki su için iki sıvı faz fikri 30 yıldan fazla bir süre önce ileri sürülmüştü, ancak o zaman kanıtlanamadı. İki yıl önce, muazzam miktarda bilgisayar zamanı, modellemenin fikri desteklemesine olanak sağladı.

Bununla birlikte, suyun kendisini bu evrelerde nasıl düzenlediğine dair ayrıntılar (donmayı önlemek için son derece saf olması gereken suyun aksine) bulanık kaldı. Şimdi, Nature Physics'te yayınlanan yeni bir makale bazı cevaplar sağlıyor.

Sadece iki elementten ve moleküllerinin sadece üç atomdan oluştuğunu düşünürsek, suyun ne kadar karmaşık olduğu şaşırtıcı. Sıvı fazda katı fazından daha yoğun olması, buzun yüzmesine izin vermesi, çoğu maddeyle o kadar çelişkilidir ki, bu kadar aşina olmasak inanmakta zorlanırdık.

Suyu donmadan donma noktasının altına soğuttuğunuzda işler daha da karışır. Bunun yapılabileceği gerçeği (suda kirlilik veya kabının pürüzlülüğü yoksa) harika kanıt videoları sağlar, ancak sıcaklıklar daha da soğudukça “aşırı soğutulmuş su” içinde moleküler düzeyde gerçekte neler olup bittiği tam olarak anlaşılamamıştır.

Bilim insanları, aşırı soğutulmuş suyun yüksek ve düşük yoğunluklu sıvı fazları oluşturabildiğini gözlemlediler. Bunlar, döteryum atomları sudaki sıradan hidrojenin bir kısmının yerini aldığında oluşan ağır sudan farklıdır. Suyun bileşimi aynıdır, yoğunluğu moleküllerin kendilerini nasıl düzenlediklerine bağlıdır.

Makaleye göre, aşırı soğutulmuş suyun yüksek yoğunluklu formu, moleküllerin bir pretzel (teknik olarak bir yonca düğümü) veya amatör sihirbazlar tarafından sevilen bağlantılı halkalar (Hopf bağlantısı) gibi birbirine dolandığını görebilir.

Makale, "Sistem, düğümler ve bağlantılar oluşturarak, aynı anda hacmini en aza indirebilir ve ağdaki bağ sayısını en üst düzeye çıkarabilir." diye yazıyor. Bu sırada, daha önce şüphelenildiği gibi, düşük yoğunluklu sıvı faz dolanmamış su molekülleri halkalarını içerir, ortadaki boşluk bu fazın ne kadar hafif olabileceğine katkıda bulunur.

Birmingham Üniversitesi'nden doktora öğrencisi Andreas Neophytou bir açıklamada, "Bu anlayış bize şu anda 30 yıllık olan bir araştırma problemine tamamen yeni bir bakış açısı sağladı ve umarım sadece bir başlangıç olacaktır." dedi.

Ne yazık ki, gerçek bir deneyde su moleküllerini gözlemlemekten hala çok uzaktayız, bu nedenle sonuçlar hala bilgisayar modellemesinden, belirli sıcaklıklar ve basınçlar altında yoğunluk gibi ölçümleri çoğaltmaktan geliyor. Hesaplamaları gerçekleştirilebilir kılmak için yazarlar, suyun bu sıcaklıklarda binlerce su molekülünden oluşan parçacıklar olan kolloidler halinde bir araya geldiği gerçeğini kullandılar. Bu kolloidlerin daha yavaş hareketleri, sıfırın altındaki sıcaklıklarda bile hızlı hareket ettiklerinden takip edilmesi zor olan tek tek moleküllerden daha kolay modellenmelerini sağlar.

Birmingham Üniversitesi'nden Dr. Dwaipayan Chakrabarti, "Bu kolloidal su modeli, moleküler suya bir büyüteç sağlar ve iki sıvının hikayesiyle ilgili suyun sırlarını çözmemize olanak tanır." dedi.

Roma Sapienza Üniversitesi'nden, iki aşamayı öngören orijinal makalenin yazarlarından biri olan Profesör Francesco Sciortino, "Su birbiri ardına sırlarını açığa çıkarıyor! Sıvının içine bakıp su moleküllerinin dansını, titreşme şekillerini ve hidrojen bağı ağını yeniden yapılandırarak eş alışverişinde bulunma biçimlerini gözlemleyebilseydik ne kadar güzel olacağını hayal edin. Önerdiğimiz su için kolloidal modelin gerçekleştirilmesi, bu hayali gerçekleştirebilir." dedi.

Bu içerik IFLSCIENCE’da yayınlanmıştır.