Kemikere opdager frysepunktet for underafkølet vand

Det er let at forestille sig, at vand må være et af de bedst forståede materialer i videnskaben. Når alt kommer til alt, er denne væske muligvis det bedst undersøgte stof på Jorden. Men sandheden er, at mange af dens egenskaber stadig mystificerer videnskabsmænd.

Et uløst puslespil er dets frysepunkt. Forskere har i mange år vidst, at du kan køle flydende vand et godt stykke under nul grader celsius, uden at det fryser. Det skyldes, at vand har brug for en kernedannelseshændelse for at udløse processen med isdannelse. Uden iskernedannelse forbliver det flydende.

Men hvor lavt kan du gå?

I dag har vi et slags svar takket være Emily Moores og Valeria Molineros arbejde ved University of Utah i Salt Lake City.

En del af problemet er, at eksperimenter til at måle frysetemperaturen er så svære at udføre, at ingen har klaret dem. Men beviserne peger på sandsynligheden for, at iskrystaller begynder at dannes alligevel ved temperaturer på omkring -41 C.

Superafkølet vand burde fryse ved omkring denne temperatur, men ingen har haft held med at måle det, fordi det altid begynder at fryse tidligere.

Moore og Molinero kommer uden om dette problem ved at simulere fryseadfærden af ​​over 250.000 vandmolekyler på en computer. Hvad de finder er, at når først den naturlige proces med isdannelse begynder at finde sted, så kan vandet ikke forblive flydende ved meget lavere temperaturer.

Faktisk indikerer deres simulering, at det naturlige frysepunkt for superafkølet vand er omkring -43 C, lige under den temperatur, hvor iskrystaller dannes naturligt. Det er som forventet, men simuleringen giver også ny indsigt i den måde, hvorpå denne frysning opstår.

I denne tilstand er vand en blanding af is med lav tæthed og vandmolekyler, der er på nippet til at blive til is, hvad kemikere kalder fire koordinerede, hvilket betyder, at hvert molekyle er forbundet med fire andre. Strukturen af ​​fire koordinerede vand ser ud til at have stor indflydelse på den hastighed, hvormed is kan dannes, og det er det, der bestemmer frysepunktet.

Der er dog en vigtig advarsel. Simuleringerne kræver en større korrektion, før de giver et fysisk realistisk resultat. Af en eller anden grund antyder de, at den naturlige isdannelse begynder at forekomme ved omkring -71 C, og at underafkølet vand fryser ved omkring -73 C.

Det er 30 grader lavere end i den virkelige verden. For at omgå dette tilføjer Moore og Molinero blot 30 grader til alle deres resultater. Præcis hvorfor simuleringen er ude af så meget, er ikke klart.

Hvis værket er gyldigt, kan det dog få stor indflydelse på andre videnskabsområder.

Temperaturen, ved hvilken superafkølet vand fryser, er en vigtig faktor i skydannelsen. Og små ændringer i denne proces, når de indgår i klimaændringsmodeller, kan have stor indflydelse på forudsigelserne om Jordens fremtid.

Præcis hvordan de nye tal vil ændre klimaforudsigelserne er endnu ikke klart. Og selvfølgelig vil klimatologer gerne have bedre beviser end en lidt skæv computersimulering. Men det er et anstændigt skridt fremad og værd at holde øje med for dets indflydelse andre steder i videnskaben.

Ref: arxiv.org/abs/1107.1622: Strukturel transformation i underafkølet vand kontrollerer isens krystallisationshastighed

skjule