Ein neues Naturphysik Studie hat Licht auf den langhypothese angenommenen kritischen Punkt mit flüssigem Flüssigguss, an dem gleichzeitig Wasser in zwei unterschiedlichen flüssigen Formen existiert und neue Möglichkeiten für die experimentelle Validierung eröffnet.
Wasser ist bekannt für seine anomalen Eigenschaften – im Gegensatz zu den meisten Substanzen ist Wasser in seinem flüssigen Zustand dichtesten, nicht fest. Dies führt zu einzigartigen Verhaltensweisen wie dem auf Wasser schwimmenden Eis.
Eines von mehreren solchen ungewöhnlichen Eigenschaften hat jahrzehntelange Forschung dazu veranlasst, das einzigartige Verhalten von Water zu verstehen, insbesondere im Supercooled -Regime.
Die Untersuchung des Phasenübergangs (LLPS-Flüssigkeits-Flüssigkeits-Phasen), von dem angenommen wird, dass es im Supercooled-Regime auftritt, war jedoch mit Herausforderungen konfrontiert, die die Forscher bewältigen wollten.
Phys.org sprach mit Co-Autoren der Studie, Prof. Francesco Sciortino von der Sapienza University of Rom und Prof. Francesco Paesani von der University of California San Diego, über ihre Arbeit.
„Wasser ist eine einzigartige Flüssigkeit mit Eigenschaften, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten zu verstehen versuchen“, erklärte Prof. Paesani.
„Eine langjährige Hypothese legt nahe, dass unter extremen Bedingungen-insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen und hohen Drücken-in zwei unterschiedlichen Flüssigkeitsphasen Wasser vorhanden sein kann: eine Flüssigkeit mit hoher Dichte und eine Flüssigkeit mit niedriger Dichte.“
Prof. Sciortino fuhr fort: „Der Punkt, an dem diese beiden Phasen nicht zu unterscheiden sind, ist als kritischer Punkt der Flüssigkeits-Flüssigkeit bekannt. Die experimentelle Bestätigung ist jedoch aufgrund der Herausforderung, das Einfrieren von Wasser vor dem Erreichen dieser Bedingungen zu verhindern, schwer fassbar.“
Der Übergang der Flüssigkeits-Flüssigkeitsphasenphase
Wenn reines Wasser auf -38 ° C abgekühlt wird, bleibt es in flüssiger Form, obwohl es seinen Gefrierpunkt bei 0 ° C übergeht. Dies ist als superkühler Zustand bekannt.
Im Jahr 1992 Forscher zuerst vorgeschlagen Dieses Wasser kann einen flüssigen Phasenübergang (LLPT) unter dem überkühlten Punkt von -38 ° C haben, wo es in zwei unterschiedlichen Flüssigkeitszuständen oder -phasen existiert.
Prof. Sciortino arbeitete 1992 als Postdoc an der Boston University an diesem Problem.
Die Schwierigkeit beruht auf dem, was Forscher „No Man’s“ Land nennen, eine Region im Phasendiagramm des Wassers, in der flüssiges Wasser typischerweise in Eis kristallisiert, bevor Messungen durchgeführt werden können. Dies geschieht unter dem überkühlten kritischen Punkt -38 ° C.
Die Unfähigkeit, Messungen in Echtzeit durchzuführen, hat Forscher gezwungen, sich stark auf Computersimulationen zu verlassen, um das Verhalten von Wasser vorherzusagen.
Frühere Studien haben allgemein unterschiedliche Vorhersagen für die Lage des vorgeschlagenen Flüssigkeits -Flüssig -Flüssigkeits -Kritikpunkts (LLCP) ergeben, wobei geschätzte kritische Drücke zwischen 36 und 270 MPa und kritischen Temperaturen von -123 ° C bis -23 ° C (oder 150 bis 250 reichen K).
Die Lösung kam in Form eines Gesprächs zwischen Prof. Sciortino und Prof. Paesani über ein datengesteuertes Vielkörperpotential, das von Prof. Paesanis Team MB-Pol entwickelt wurde.
Eine Mischung aus Neugier und Skepsis, die sich um die Gültigkeit des Zwei-Flüssigkeits-Szenarios in tiefkühlten Wasserszenario in umgreifendem Szenario mit zwei Flüssigkeiten untersuchen, führte dazu, dass sie diese Forschung verfolgt.
Verwenden von tiefen neuronalen Netzwerken
„Trotz seiner Genauigkeit ist MB-POL rechenintensiv anspruchsvoller als empirische Modelle. Um diese Einschränkung zu überwinden, entwickelte Sigbjørn Bohrung, der dritte Autor dieses Papier „, Sagte Prof. Paesani und erklärte die Einbeziehung neuronaler Netzwerke an ihrer Forschung.
Im Gegensatz zu früheren Wassermodellen wird dieser Ansatz aus der Quantenchemie der ersten Prinzipien auf gekoppelter Clusterebene abgeleitet, was als Goldstandard für molekulare Wechselwirkungen angesehen wird.
Unter Verwendung des DNN@MB-POL-Modells führten die Forscher mikrosekundige Molekulardynamik-Simulationen durch.
„Diese sind entscheidend für die Untersuchung von Wasser in tiefkühlten Zuständen, da die molekulare Diffusion bei der Temperatur dramatisch langsamer wird Paesani.
Die Simulationen wurden an 280 verschiedenen Zustandspunkten durchgeführt, die über 20 Temperaturen (188 bis 368 K oder -85 ° C bis 95 ° C) und 14 Drücke (0,1–131,7 MPa) reichten.
Alle Simulationen wurden mit einem System von 256 Wassermolekülen unter periodischen Randbedingungen durchgeführt.
Identifizierung von Phasenübergängen
Die Simulationen zeigten direkte Beweise für zwei unterschiedliche flüssige Zustände mit unterschiedlichen Dichten und Strukturen.
Bei der Untersuchung von Wasser bei -85 ° C (188 K) beobachteten die Forscher dramatische Dichteschwankungen, die auf Mikrosekunden-Zeitskalen auftraten, wobei Wasser spontan zwischen hohen Dichte und niedrigen Dichte bei etwa 101,3 MPa wechselte.
Diese Beobachtungen bestätigten das Vorhandensein eines Phasenübergangs erster Ordnung zwischen zwei flüssigen Wasserformen mit freien Energienbarrieren, die beim Abkühlen zunehmen, eine klare Signatur solcher Übergänge.
Das Team berücksichtigte die systematische Abweichung des Modells im Vergleich zu experimentellen Werten und schätzte den tatsächlichen kritischen Punkt in Wasser bei ungefähr 198 K (-75 ° C) und 126,7 MPa.
Am signifikantesten ist, dass der in dieser Untersuchung identifizierte kritische Punkt bei einem niedrigeren Druck als viele frühere Vorhersagen auftritt, was darauf hindeutet, dass er experimentell zugänglich sein kann.
Die Forscher konnten auch ein umfassendes Phasendiagramm konstruieren, das die Koexistenzkurve der Flüssigkeitsflüssigkeit zeigte.
„Wir sind in unserem geschätzten flüssigen kritischen Punkt sehr zuversichtlich, da er aus der Quantenchemie der ersten Prinzipien auf der Ebene der Theorie gekoppelt ist-dem Goldstandard für elektronische Strukturberechnungen“, sagte Prof. Sciortino.
Nanodroplets zur Validierung
Die Ergebnisse liefern die bisher stärksten rechnerischen Beweise für die Existenz des LLPT in Wasser und tragen dazu bei, eine wissenschaftliche Frage zu lösen, die seit über 30 Jahren anhält.
Forscher glauben, dass Wassernanodroplets – Wassertröpfchen Nanometer weit in engen Räume vorhanden oder in einem Medium aufgehängt – die LLPT -Ergebnisse experimentell validieren könnten.
„Für Nanodroplets, nur wenige Nanometer im Durchmesser, könnte der Innendruck Werte erreichen, die mit dem kritischen Druck der Flüssigkeitsflüssigkeit vergleichbar sind (~ 1.250 atm). Dies deutet darauf hin, dass sorgfältig kontrollierte Nanodropeln einen experimentellen Weg liefern könnten, um die LLCP zu untersuchen“, sagte Prof. Prof. Paesani.
Prof. Sciortino fügte hinzu: „Neutronen- und Röntgenstreuungsexperimente könnten verwendet werden, um strukturelle Signaturen der beiden flüssigen Zustände in diesen engen Tröpfchen zu erkennen.“
„Insbesondere können Streutechniken Dichteschwankungen und Korrelationen aufweisen, die für kritische Phänomene charakteristisch sind. Zusätzlich könnte die zeitaufgelöste Spektroskopie dazu beitragen, die Interkonversionsdynamik zwischen den beiden flüssigen Phasen zu erfassen.“
Die Entdeckung von LLPT hat weit verbreitete Auswirkungen auf mehrere wissenschaftliche Bereiche.
Das Verständnis von Wasser von Wasser könnte die Klimamodellierung und die Wettervorhersage verbessern, Einblicke in die Ozeane in entfernten Monden und Planeten liefern und unser Verständnis von zellulären Prozessen verbessern, die durch Phasentrennung angetrieben werden, und die Technologien für die Energiespeicherung und die Wasserbehandlung.
Weitere Informationen:
F. Sciortino et al., Einschränkungen am Ort des kritischen Punktes Flüssigkeits -Flüssigkeit in Wasser, Naturphysik (2025). Doi: 10.1038/s41567-024-02761-0.
© 2025 Science X Network