Μια νέα μελέτη δίνει πειστική εξήγηση για το γιατί το νερό είναι ίσως το πιο παράξενο υγρό στη Γη.
Από τα τέλη του 19ου αιώνα, με τη δουλειά του Γερμανού φυσικού Wilhelm Röntgen, είναι γνωστό ότι το συνηθισμένο νερό ξεφεύγει από τους κανόνες. Σύμφωνα με το Chemistry World, το H2O εμφανίζει 66 ιδιότητες που το διαφοροποιούν από άλλα υγρά, όπως η υψηλή επιφανειακή τάση, η θερμοχωρητικότητα, το σημείο βρασμού και η πυκνότητα.
«Αν κοιτάξετε τις απλές θερμοδυναμικές και κινητικές ιδιότητες των υγρών, καθώς αλλάζετε την πίεση και τη θερμοκρασία, όλα συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο. Εκτός από το νερό», είχε πει το 2020 στο Chemistry World ο Anders Nilsson, ερευνητής του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης που μελετά εκτενώς τις ιδιότητές του εδώ και πάνω από μια δεκαετία.
Για να εξηγήσει αυτή τη συμπεριφορά, ο Nilsson αναζητούσε το λεγόμενο κρίσιμο σημείο υγρού-υγρού (LLCP). Γνωρίζουμε εδώ και καιρό το υψηλό κρίσιμο σημείο του νερού, γύρω στους 374 βαθμούς Κελσίου και στις 218 ατμοσφαιρικές πιέσεις, όπου σβήνει η διαφορά μεταξύ υγρού και αερίου. Οι επιστήμονες όμως έχουν υποθέσει ότι υπάρχει και κρίσιμο σημείο όταν το νερό είναι υπερψυχρό, δηλαδή παραμένει υγρό σε θερμοκρασίες πολύ κάτω από το σημείο πήξης. Ένας λόγος γι’ αυτή την υπόθεση είναι ότι το νερό φτάνει τη μέγιστη πυκνότητά του στους 4 βαθμούς Κελσίου και μετά αντιστρέφει πορεία — κάτι που εξηγεί και γιατί ο πάγος επιπλέει. Αυτή η ανωμαλία στην πυκνότητα θα μπορούσε να εξηγηθεί από ένα κρίσιμο σημείο κάτω από το μηδέν, κάπου μεταξύ -40 και -70 βαθμών Κελσίου.
Το 2020, ο Nilsson συμμετείχε σε ομάδα που έδειξε ότι το υπερψυχρό νερό μπορεί να υπάρχει σε δύο διακριτές φάσεις — ένα υγρό υψηλής πυκνότητας και ένα χαμηλής πυκνότητας — ενισχύοντας την ιδέα ότι οι φάσεις αυτές συγχωνεύονται στο πολυπόθητο LLCP. Ο ακριβής εντοπισμός όμως είναι δύσκολος, καθώς το νερό παγώνει ταχύτερα απ’ όσο προλαβαίνουν τα περισσότερα όργανα μέτρησης.
Σε νέα μελέτη στο περιοδικό Science, ο Nilsson και ομάδα με επικεφαλής τον Kyung Hwan Kim από το Pohang Accelerator Laboratory χρησιμοποίησαν εξαιρετικά σύντομους παλμούς από λέιζερ ακτίνων Χ ελεύθερων ηλεκτρονίων για να παρακολουθήσουν το υπερψυχρό νερό τη στιγμή που μετατρεπόταν σε πάγο. Οι επιστήμονες έδειξαν ότι το LLCP του νερού βρίσκεται περίπου στους 210 kelvins, δηλαδή στους -63 βαθμούς Κελσίου. Με άλλα λόγια, οι αρχικές έρευνες του Röntgen για τις παράξενες ιδιότητες του νερού πριν από περίπου 130 χρόνια επιβεβαιώθηκαν με τη δεύτερη, καθοριστική εφεύρεσή του: τις ακτίνες Χ.
«Αυτό που ήταν ιδιαίτερο είναι ότι μπορέσαμε να “ακτινογραφήσουμε” με ασύλληπτη ταχύτητα πριν παγώσει ο πάγος και να παρατηρήσουμε πώς η μετάβαση υγρού-υγρού εξαφανίζεται και αναδύεται μια νέα κρίσιμη κατάσταση», ανέφερε ο Nilsson σε ανακοίνωση. «Για δεκαετίες υπήρχαν εικασίες και διαφορετικές θεωρίες για να εξηγηθούν αυτές οι αξιοσημείωτες ιδιότητες, και μία θεωρία ήταν η ύπαρξη ενός κρίσιμου σημείου. Τώρα βρήκαμε ότι ένα τέτοιο σημείο υπάρχει».
Όπως και στο υψηλότερο κρίσιμο σημείο του νερού, η παρατήρηση του LLCP είναι δυνατή μόνο σε τεράστια πίεση (περίπου 1000 ατμόσφαιρες). Καθώς όμως αλλάζουν οι συνθήκες, οι δύο φάσεις τελικά συγχωνεύονται σε μία. Το ενδιαφέρον είναι ότι αυτές οι διακυμάνσεις φαίνεται να εκτείνονται σε θερμοκρασίες και πιέσεις που περιλαμβάνουν και τις κανονικές περιβαλλοντικές συνθήκες, κάτι που ίσως εξηγεί γιατί το νερό συμπεριφέρεται τόσο ασυνήθιστα. Ο ακριβής εντοπισμός του κρίσιμου σημείου μπορεί να έχει σημαντικές συνέπειες σε πολλά πεδία.
«Υπήρξε έντονη συζήτηση για την προέλευση των παράξενων ιδιοτήτων του νερού για πάνω από έναν αιώνα, από την πρώιμη δουλειά του Wolfgang Röntgen», είπε ο Nilsson. «Το επόμενο στάδιο είναι να βρεθούν οι επιπτώσεις αυτών των ευρημάτων στη σημασία του νερού σε φυσικές, χημικές, βιολογικές, γεωλογικές και κλιματικές διεργασίες. Μια μεγάλη πρόκληση για τα επόμενα χρόνια».
