En ny kritisk punkt i vatten har upptäckts

Forskare vid Stockholms universitet har med hjälp av röntgenlaserstudier lyckats påvisa en kritisk punkt i vatten vid –63 grader Celsius och 1000 atmosfärer. Den kritiska punkten skapar fluktuationer i ett stort temperaturområde och är orsaken till att vatten har märkliga egenskaper även vid våra temperatur- och tryckförhållanden. Resultaten publiceras nu i den vetenskapliga tidskriften Science.

Vatten kan upplevas som den mest vardagliga av alla vätskor även om den är helt avgörande för vår existens på jorden, men rent fysiskt är det en mycket märklig substans. Till exempel förhindrar det faktum att vatten är tyngst vid 4 grader Celsius att sjöar bottenfryser och skyddar därmed det marina livet under kalla vintrar.

– Hur vattnet reagerar på förändringar i tryck och temperatur när det gäller till exempel densitet, värmekapacitet, viskositet och kompressabilitet skiljer sig helt ifrån andra vätskor. Man kan visa att dessa märkliga egenskaper har varit en förutsättning för hur det marina livet och därmed däggdjur har utvecklats på jorden, säger Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Fysikum på Stockholms universitet.

Nu har forskare vid Stockholm universitet med hjälp av superkorta röntgenpulser lyckats konstatera att många av vattnets märkliga egenskaper har sin grund i en kritisk punkt vid -63 grader Celsius. Försöken utfördes vid en anläggning i Sydkorea.

– Det har spekulerats i många decennier runt flera olika teorier för att förklara att de märkliga egenskaperna blir så kraftigt förstärkta när vatten underkyls. Nu har vi hittat att det finns en kritisk punkt som orsakar fenomenen, säger Anders Nilsson.

Vatten har unika egenskaper vid låga temperaturer

Alla ämnen komprimeras när de kyls vilket gör att tätheten ökar. Men vatten har sin högsta densitet vid fyra grader Celsius, vilket gör att det sjunker till botten.

Kyler man ner vatten under fyra grader börjar det i stället att expandera. Mycket rent vatten fryser långsamt, om det kyls ner under nollpunkten fortsätter det att expandera, till och med snabbare ju kallare det blir.

Vid ännu kallare temperaturer och höga tryck har forskargruppen tidigare visat (Science 2020) att vatten kan existera som två distinkta vätskeformer med olika sätt att binda ihop vattenmolekylerna. När man sedan höjer temperaturen och sänker trycket når man ett tillstånd där de två vätskorna åter övergår till endast en. Det uppkommer en kritisk punkt vid -63 grader Celsius och 1000 atmosfärers tryck då vattnet inte kan bestämma sig för vilken form det ska vara i utan fluktuerar mellan att vara två distinkta vätskor och en blandning av de två.

– Det speciella är att vi har lyckats röntga vatten oerhört fort just innan det fryser till is, och då kunnat se hur det både är två vätskor och samtidigt endast en vätska, säger Anders Nilsson.

Dessa fluktuationer finns sedan kvar även vid högre temperaturer, ända upp till cirka +50 grader Celsius, vilket är det som ger vatten dess märkliga egenskaper. Det här tillståndet vid temperaturer högre än den kritiska punkten är känt som superkritiskt.

– Det är intressant att vatten ser ut att vara den enda superkritiska vätskan vid temperaturer och tryckförhållanden där liv är möjligt. Samtidigt vet vi att det inte finns något liv utan vatten. Om det är en slump eller om det finns ett samband är en forskningsfråga som är en stor utmaning för de närmaste åren, säger Anders Nilsson.

Studien har gjorts i samarbete med POSTECH University och PAL-XFEL i Sydkorea, Max Planck Society och Johannes Gutenberg University i Tyskland samt St. Francis Xavier University i Kanada. I studien medverkade också Aigerim Karina, Robin Tyburski, Iason Andronis och Fivos Perakis från Stockholms universitet samt Marjorie Ladd-Parada som under experimenten var vid Stockholms universitet.

Studien i Science:

Studien Experimental evidence of a liquid-liquid critical point in supercooled water av Seonju You och Marjorie Ladd Parada et al. kan läsas här: https://doi.org/10.1126/science.aec0018

Kontakt:

Anders Nilsson, professor i kemisk fysik, Fysikum, Stockholms universitet
Tel: 073-994 62 30
E-post: andersn@fysik.su.se