Når vann blir kaldere, oppfører det seg stadig mer merkelig sett med fysikeres øyne. Nå mener forskere å ha funnet en ny forklaring: et tidligere skjult kritisk punkt som dukker opp i såkalt superavkjølt vann – vann som er under frysepunktet uten å bli til is.
Ved å manipulere trykk og temperatur kan forskere holde vann flytende langt under den vanlige frysegrensen. Tidligere studier har antydet at vann i denne tilstanden kan dele seg i to ulike væskefaser: én med høy tetthet og én med lav tetthet.
I en ny studie har et internasjonalt forskerteam funnet mer direkte bevis for denne væske-til-væske-overgangen. I tillegg peker resultatene på et kritisk punkt: en grense der vannet går over til en enkelt, men svært ustabil tilstand, der molekylstrukturen svinger kraftig.
Å undersøke disse tilstandene er spesielt krevende fordi de oppstår rett i grenselandet mellom flytende vann og is. Området har lenge blitt omtalt som et slags ingenmannsland for målinger, nettopp fordi vannet så lett fryser før man rekker å observere hva som skjer.
– Det spesielle var at vi klarte å ta røntgenbilder i ufattelig høy hastighet før isen rakk å danne seg, og kunne observere hvordan væske-til-væske-overgangen forsvinner og en ny kritisk tilstand oppstår, sier kjemisk fysiker Anders Nilsson ved Stockholms universitet.
– I flere tiår har det vært spekulasjoner og ulike teorier for å forklare disse bemerkelsesverdige egenskapene, og én teori har vært at et kritisk punkt finnes. Nå har vi funnet at et slikt punkt faktisk eksisterer, sier han.
I eksperimentene var rask oppvarming med infrarøde lasere og ekstremt raske «øyeblikksbilder» med røntgen avgjørende. Forskerne tok spesiallaget is og presset den gjennom den antatte væske-til-væske-tilstanden, videre over det kritiske punktet og inn i en fase der strukturen i vannet fluktuerer. Alt ble observert på svært korte tidsskalaer.
Selv om forskerne ennå ikke har fastslått nøyaktig hvor det kritiske punktet ligger, mener de å ha snevret inn området betydelig. De anslår at det kan befinne seg rundt -63 grader celsius og ved et trykk på omtrent 1000 atmosfærer. Det vil kunne gjøre det enklere å planlegge nye eksperimenter som kan finjustere tallene.
Forskerne beskriver også en uventet parallell: Det kritiske punktet kan minne om en «svart hull»-lignende effekt i systemet. Når vannet nærmer seg dette punktet, ser dynamikken i væsken ut til å gå saktere, og strukturelle endringer tar lengre tid. Ifølge studien gjør dette at væsken i praksis ikke klarer å «unngå» overgangen.
Funnene kan virke smale og mest relevante for fysikere, men forskerne mener de har stor betydning for den grunnleggende forståelsen av vann. Vann er involvert i nesten alt som skjer på jorden – og også i prosesser utenfor planeten – og små detaljer i hvordan det oppfører seg kan få store konsekvenser i modeller og teorier.
– Forskere som studerer vannets fysikk kan nå samle seg om en modell der vann faktisk har et kritisk punkt i det superavkjølte området, sier Nilsson.
– Neste steg er å finne ut hvilke konsekvenser disse funnene har for vannets rolle i fysiske, kjemiske, biologiske, geologiske og klimarelaterte prosesser, sier han.
Mange har lagt merke til at vann skiller seg fra andre stoffer allerede i hverdagen. Når materie blir kaldere, krymper den som regel og blir tettere. Vann er annerledes: Is er mindre tett enn flytende vann, og derfor flyter isbiter i et glass i stedet for å synke.
Studien er også en del av et større bilde der forskere kartlegger flere uvanlige egenskaper ved vann utover de mest kjente tilstandene. Den mulige oppdelingen i to ulike væskefaser er én av flere særheter, og forskerne understreker at det fortsatt gjenstår mange spørsmål.
En annen viktig forskjell mellom vann og de fleste andre væsker er at vann er helt avgjørende for liv, slik vi kjenner det. Det er også et spor forskerne vil følge videre.
– Jeg synes det er svært spennende at vann er den eneste superkritiske væsken ved forholdene der liv finnes, og vi vet også at det ikke finnes liv uten vann, sier kjemisk fysiker Fivos Perakis ved Stockholms universitet.
– Er dette en ren tilfeldighet, eller finnes det en essensiell innsikt vi kan få i fremtiden, spør han.
Forskningen er publisert i tidsskriftet Science.
