Αυτή η κρυφή κατάσταση του νερού θα μπορούσε να εξηγήσει την ύπαρξη της ζωής
Το νερό είναι παντού και απαραίτητο για τη ζωή, ωστόσο δεν συμπεριφέρεται σαν τα περισσότερα υγρά. Ιδιότητες όπως η πυκνότητα, η ειδική θερμότητα, το ιξώδες και η συμπιεστότητα αντιδρούν στη θερμοκρασία και την πίεση με τρόπους αντίθετους από αυτό που παρατηρούν οι επιστήμονες σε τυπικές ουσίες.
Στα περισσότερα υλικά, η ψύξη τα κάνει να συστέλλονται και να γίνονται πυκνότερα. Βάσει αυτού του προτύπου, το νερό θα έπρεπε να φτάσει τη μέγιστη πυκνότητά του όταν παγώνει. Αντίθετα, ο πάγος επιπλέει, και το υγρό νερό είναι στην πραγματικότητα πιο πυκνό στους 4 βαθμούς C. Γι’ αυτό το λόγο, το πιο κρύο νερό παραμένει κάτω από το πιο ζεστό νερό σε λίμνες και ωκεανούς.
Όταν το νερό ψύχεται κάτω από τους 4 βαθμούς, αρχίζει πάλι να διαστέλλεται. Εάν το καθαρό νερό ψυχθεί κάτω από τους 0 βαθμούς (όπου η κρυστάλλωση συμβαίνει αργά), αυτή η διαστολή συνεχίζεται και μάλιστα επιταχύνεται καθώς η θερμοκρασία πέφτει περαιτέρω. Άλλες ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της συμπιεστότητας και της ειδικής θερμότητας, συμπεριφέρονται επίσης με όλο και πιο ασυνήθιστους τρόπους καθώς η θερμοκρασία μειώνεται.
Καταγραφή της Κρυφής Κατάστασης του Νερού με Ακτίνες-Χ Λέιζερ
Για να διερευνήσουν αυτές τις παράξενες συμπεριφορές, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν εξαιρετικά γρήγορες παλμικές ακτίνες-Χ που παράγονται από ισχυρά λέιζερ στη Νότια Κορέα. Αυτοί οι παλμοί τους επέτρεψαν να παρατηρήσουν το νερό σε υπερψυγμένη κατάσταση λίγο πριν μετατραπεί σε πάγο.
«Αυτό που ήταν ιδιαίτερο ήταν ότι καταφέραμε να ακτινογραφήσουμε απίστευτα γρήγορα πριν ο πάγος παγώσει και να παρατηρήσουμε πώς εξαφανίζεται η μετάβαση υγρού-υγρού και αναδύεται μια νέα κρίσιμη κατάσταση», λέει ο Anders Nilsson, Καθηγητής Φυσικής Χημείας στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης. «Για δεκαετίες υπήρχαν εικασίες και διάφορες θεωρίες για να εξηγήσουν αυτές τις αξιοσημείωτες ιδιότητες, και μία θεωρία ήταν η ύπαρξη ενός κρίσιμου σημείου. Τώρα βρήκαμε ότι τέτοιο σημείο υπάρχει.»
Δύο Υγρές Μορφές Νερού και μια Κρίσιμη Μετάβαση
Υπό χαμηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση, το νερό μπορεί να υπάρχει ως δύο διακριτές υγρές φάσεις με διαφορετικές δομές μοριακών δεσμών. Καθώς οι συνθήκες αλλάζουν, αυτές οι δύο μορφές συγχωνεύονται σε μία μόνο φάση στο κρίσιμο σημείο.
Κοντά σε αυτό το σημείο, το σύστημα γίνεται εξαιρετικά ασταθές, και το νερό μετατοπίζεται γρήγορα μεταξύ των δύο υγρών καταστάσεων ή μειγμάτων αυτών. Αυτές οι διακυμάνσεις εκτείνονται σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και πιέσεων, φτάνοντας ακόμη και σε κανονικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτές οι συνεχείς μετατοπίσεις είναι αυτές που προσδίδουν στο νερό τα ασυνήθιστα χαρακτηριστικά του.
Πέρα από το κρίσιμο σημείο, το νερό εισέρχεται σε μια υπερκρίσιμη κατάσταση, και υπό καθημερινές συνθήκες, υπάρχει ήδη σε αυτό το καθεστώς.
Ένα «Μαύρη Τρύπα-Σαν» Φαινόμενο στη Δυναμική του Νερού
Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι η μοριακή κίνηση επιβραδύνεται δραματικά καθώς το νερό πλησιάζει το κρίσιμο σημείο.
«Φαίνεται σχεδόν ότι δεν μπορείς να ξεφύγεις από το κρίσιμο σημείο αν το εισέλθεις, σχεδόν σαν μια Μαύρη Τρύπα», λέει ο Robin Tyburski, ερευνητής στη Φυσική Χημείας στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης.
Μια Ανακάλυψη Δεκαετιών
«Είναι εκπληκτικό πώς οι άμορφοι πάγοι, μια τόσο εκτενώς μελετημένη κατάσταση του νερού, κατέστησαν η είσοδός μας στην κρίσιμη περιοχή. Είναι μεγάλη έμπνευση για τις περαιτέρω μελέτες μου και μια υπενθύμιση των δυνατοτήτων για ανακαλύψεις σε τόσο μελετημένα θέματα όπως το νερό», λέει η Aigerim Karina, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στη Φυσική Χημείας στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης.
«Ήταν ένα όνειρο που έγινε πραγματικότητα να μπορώ να μετρήσω το νερό κάτω από τόσο χαμηλές θερμοκρασίες χωρίς να παγώσει», λέει ο Iason Andronis, διδακτορικός φοιτητής στη Φυσική Χημείας στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης. «Πολλοί είχαν ονειρευτεί να βρουν αυτό το κρίσιμο σημείο, αλλά τα μέσα δεν ήταν διαθέσιμα πριν από την ανάπτυξη των ακτίνων-Χ λέιζερ.»
«Βρίσκω πολύ συναρπαστικό ότι το νερό είναι το μόνο υπερκρίσιμο υγρό υπό συνθήκες περιβάλλοντος όπου υπάρχει ζωή, και γνωρίζουμε επίσης ότι δεν υπάρχει ζωή χωρίς νερό. Είναι αυτό μια καθαρή σύμπτωση ή υπάρχει κάποια ουσιαστική γνώση που πρέπει να αποκτήσουμε στο μέλλον;» λέει ο Fivos Perakis, αναπληρωτής καθηγητής στη Φυσική Χημείας στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης.
Επίλυση ενός Αινίγματος του Νερού Εκατό Ετών
«Υπήρχε μια έντονη συζήτηση για την προέλευση των παράξενων ιδιοτήτων του νερού για πάνω από έναν αιώνα από το έργο του Wolfgang Röntgen», εξηγεί ο Anders Nilsson. «Οι ερευνητές που μελετούν τη φυσική του νερού μπορούν πλέον να καταλήξουν στο μοντέλο ότι το νερό έχει ένα κρίσιμο σημείο στην υπερψυγμένη περιοχή. Το επόμενο στάδιο είναι να βρεθούν οι επιπτώσεις αυτών των ευρημάτων στη σημασία του νερού σε φυσικές, χημικές, βιολογικές, γεωλογικές και κλιματικές διαδικασίες. Μια μεγάλη πρόκληση τα επόμενα χρόνια.»
Διεθνής Συνεργασία Πίσω από την Ανακάλυψη
Αυτή η έρευνα περιλάμβανε συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης, του Πανεπιστημίου POSTECH και του PAL-XFEL στη Νότια Κορέα, της Max Planck Society, του Πανεπιστημίου Johannes Gutenberg στη Γερμανία και του St. Francis Xavier University στον Καναδά. Στους συντελεστές περιλαμβάνονται οι Aigerim Karina, Robin Tyburski, Iason Andronis και Fivos Perakis, μαζί με πρώην μέλη της ομάδας Φυσικής Χημείας στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης.