Forskare har med hjälp av röntgenlaserstudier lyckats visa att vatten finns som två helt olika vätskor – där tätheten skiljer så mycket som 20 procent. Skulle det gå att hålla de bägge vätskorna i ett vanligt glas, skulle de separera med en tydlig gränsyta dem emellan precis som i ett glas med vatten och olja.
Bägge vätskorna består av vattenmolekylerna H2O. När trycket ändras från cirka 2 000 atmosfärstryck till rumstryck vid -68 grader Celsius, kan omvandlingen följas om det bara görs tillräckligt snabbt, innan is hinner bildas. Något som forskarna vid Stockholms universitet lyckats göra, resultaten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Science.
Vatten är den mest vanligast av alla vätskor och helt avgörande för vår existens på jorden, men rent fysiskt en mycket märklig substans. Hur vattnet reagerar på förändringar i tryck och temperatur när det gäller till exempel täthet, värmekapacitet, viskositet och kompressabilitet skiljer sig helt ifrån andra vätskor. Det är dessa avvikelser i egenskaper ifrån andra vätskor som möjliggjort att marint liv kunnat utvecklas på vår planet.
Små svängningar ger märkliga avtryck
En hypotes om de märkliga egenskaper vatten uppvisar, baserade på teoretiska simuleringar för snart 30 år sedan, är att det kan finnas två olika vätskor av vatten som existerar vid låga temperaturer och vid olika omgivande tryck. Skulle vi rent hypotetiskt kunna hålla dessa två vätskor i ett vanligt glas skulle de separera med en tydlig gränsyta dem emellan, precis som i ett glas med vatten och olja.
Vanligt vatten är däremot endast en vätska och där finns ingen separation i ett vattenglas – men på molekylär nivå finns istället svängningar i små lokala regioner som påminner hur molekylerna är arrangerade i de två olika vätskorna, vilket ger upphov till vattnets märkligheter.
Röntgade vattnet i övergången till is
Problemet har varit att experiment inte kunnat genomföras vid de temperaturer och tryck då de två vätskefaserna existerar samtidigt, eftersom is direkt bildas. Det har endast varit möjligt att studera med teoretiska beräkningar och olika resultat har uppnåtts beroende på vilken metod som använts vilket skapat stora kontroverser i vetenskapssamhället.
– Det speciella är att vi har lyckats röntga vatten oerhört fort medan det övergår från den ena vätskan till den andra innan det fryser till is. Det har spekulerats i decennier runt flera olika teorier att förklara de märkliga egenskaperna hos vatten och två vätske-hypotesen är endast en av dem. Nu kan forskningsfältet runt vattnets fysik komma till ro med en förklaringsmodell.
Framtida frågor är om existensen av dessa två vätsketillstånd också kan vara av betydelse för livsprocesser eller för att utveckla membran för att avsalta vatten i områden av torka genom klimatförändringar, säger Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet.
Studien har gjorts i samarbete med POSTECH University i Sydkorea, PAL-XFEL i Sydkorea, SLAC- laboratoriet i Kalifornien, Brooklyn College of the City University of New York i USA och St. Francis Xavier University i Kanada. I studien medverkade också Katrin Amann-Winkel, Fivos Perakis, Harshad Pathak, Marjorie La Prada, Tobias Eklund ifrån Stockholms universitet samt tidigare medarbetare vid universitetet Kyung Hwan Kim, Alexander Späh och Daniel Mariedahl.
Vetenskaplig artikel:
Experimental observation of the liquid-liquid transition in bulk supercooled water under pressure (Kyung Hwan Kim och Katrin Amman-Winkel et al)ScienceArtikeln var först publicerad på Stockholms universitets webb.
