Μια κρυφή μετάβαση ανάμεσα σε δύο μορφές υγρού νερού μπορεί να εξηγήσει τις πιο μπερδεμένες ιδιότητές του. Γιατί το νερό έχει τη μεγαλύτερη πυκνότητά του στους 4°C (39,2°F);
Γιατί είναι τόσο ζωτικής σημασίας για την προέλευση και την επιβίωση της ζωής; Αυτά τα βασικά ερωτήματα μπορεί να φαίνεται ότι θα έπρεπε να έχουν απλές απαντήσεις στα σχολικά βιβλία, κι όμως παραμένουν μερικά από τα πιο επίμονα μυστήρια της επιστήμης.
Μετά από περισσότερο από μια δεκαετία εργασίας, οι ερευνητές δηλώνουν τώρα ότι αποκάλυψαν τη βαθύτερη αιτία της ασυνήθιστης συμπεριφοράς του νερού.
Τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο το νερό εξηγείται στα σχολικά βιβλία. Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Kyung Hwan Kim από το Τμήμα Χημείας του POSTECH, σε συνεργασία με τον καθηγητή Anders Nilsson από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης, παρατήρησε άμεσα το κρίσιμο σημείο υγρού-υγρού (LLCP) του νερού.
Το φαινόμενο αυτό, αποτελεί μία από τις δυσκολότερες προκλήσεις της επιστήμης εδώ και δεκαετίες. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science. Παρόλο που το νερό είναι μία από τις πιο μελετημένες ουσίες, δεν έχει ακόμα κατανοηθεί πλήρως.
Μια επικρατούσα θεωρία υποδηλώνει ότι οι παράξενες ιδιότητές του προέρχονται από την ύπαρξη ενός κρίσιμου σημείου υγρού-υγρού, μιας κατάστασης όπου δύο διαφορετικές υγρές μορφές του νερού γίνονται μη διακρίσιμες.
Η πρόκληση της «Νεκρής Ζώνης» (No-Man’s-Land)
Οι επιστήμονες έχουν προβλέψει εδώ και καιρό ότι εάν το LLCP υπάρχει, θα βρισκόταν σε ένα εύρος βαθιάς υπερψύξης μεταξύ περίπου -40°C και -70°C, που συχνά αποκαλείται «νεκρή ζώνη».
Για να το ελέγξουν αυτό, οι ερευνητές πρέπει να μελετήσουν το υγρό νερό που παραμένει μη παγωμένο κάτω από τους -40°C. Ωστόσο, σε αυτό το εύρος, το νερό παγώνει τόσο γρήγορα που οι παραδοσιακές μέθοδοι μέτρησης δεν μπορούν να το καταγράψουν, καθιστώντας την άμεση παρατήρηση σχεδόν αδύνατη για δεκαετίες.
Τα τελευταία δέκα χρόνια, η ομάδα εργάστηκε για να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο. Χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ ελευθέρων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XFEL), το οποίο ορισμένες φορές αποκαλείται «φως των ονείρων» και παράγει εξαιρετικά έντονους παλμούς ακτίνων Χ. Αυτό το εργαλείο μπορεί να καταγράψει τη μοριακή κίνηση σε μόλις ένα δέκατο του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.
Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο PAL-XFEL του Εργαστηρίου Επιταχυντή του Pohang.
Επιστημονικά επιτεύγματα μιας δεκαετίας
Το 2017, οι ερευνητές έγιναν οι πρώτοι που έδειξαν ότι το υγρό νερό θα μπορούσε να μελετηθεί χωρίς να παγώσει σε θερμοκρασίες έως και -45°C. Αυτό απέδειξε ότι η κάποτε «απρόσιτη» περιοχή μπορούσε να εξερευνηθεί.
Μέχρι το 2020, βελτίωσαν τη μέθοδό τους χρησιμοποιώντας άμορφο πάγο, επιτρέποντάς τους να επεκτείνουν τις μετρήσεις μέχρι τους -70°C. Αυτά τα πειράματα παρείχαν τις πρώτες αποδείξεις ότι το νερό μπορεί να υπάρξει ως δύο διακριτές υγρές μορφές σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Και οι δύο μελέτες δημοσιεύθηκαν στο Science και προσέλκυσαν ευρεία προσοχή.
Άμεση παρατήρηση του κρίσιμου σημείου
Στην τελευταία τους εργασία, η ομάδα παρακολούθησε στενά πώς συμπεριφέρεται το νερό υπό διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Αναφέρουν την πρώτη άμεση παρατήρηση ενός κρίσιμου σημείου υγρού-υγρού κοντά στους -60°C.
Σε αυτό το σημείο, δύο ξεχωριστές υγρές καταστάσεις συγχωνεύονται σε ένα ενιαίο υπερκρίσιμο υγρό. Αυτό το αποτέλεσμα αποκαλύπτει την υποκείμενη πηγή των ασυνήθιστων ιδιοτήτων του νερού.
Αυτή η ανακάλυψη αντανακλά χρόνια σταθερής προσπάθειας επικεντρωμένης σε ένα θεμελιώδες επιστημονικό πρόβλημα. Μετατρέποντας μια θεωρία δεκαετιών σε άμεση πειραματική απόδειξη, οι ερευνητές προήγαγαν την κατανόησή μας για το νερό.
Ο καθηγητής Kyung Hwan Kim δήλωσε: «Η έντονη αντιπαράθεση στην επιστημονική κοινότητα, που κράτησε πολλά χρόνια, σχετικά με τις ασυνήθιστες ιδιότητες του νερού και το κρίσιμο σημείο υγρού-υγρού, έφτασε επιτέλους στο τέλος της».
Πρόσθεσε δε ότι: «Αυτή η ανακάλυψη θα χρησιμεύσει ως αφετηρία για την αποκάλυψη των ουσιαστικών ρόλων που παίζει το νερό στα ζωντανά συστήματα και σε ένα ευρύ φάσμα φυσικών φαινομένων».
