Neue Beweise dafür, dass sich Wasser bei niedrigen Temperaturen in zwei verschiedene Flüssigkeiten trennt

Eine neue Art von „Phasenübergang“ im Wasser wurde erstmals vor 30 Jahren in einer Studie von Forschern der Boston University vorgeschlagen. Da vorhergesagt wurde, dass der Übergang unter unterkühlten Bedingungen stattfindet, war es jedoch eine Herausforderung, seine Existenz zu bestätigen. Denn Wasser will bei diesen niedrigen Temperaturen eigentlich gar nicht flüssig sein, sondern schnell zu Eis werden. Aufgrund seines verborgenen Status ist über diesen Flüssig-Flüssig-Phasenübergang noch viel unbekannt, im Gegensatz zu den alltäglichen Beispielen von Phasenübergängen in Wasser zwischen einer festen oder Dampfphase und einer flüssigen Phase.

Diese neuen Beweise, veröffentlicht in Naturphysikstellt einen bedeutenden Schritt nach vorne bei der Bestätigung der erstmals 1992 vorgeschlagenen Idee eines Flüssig-Flüssig-Phasenübergangs dar. Francesco Sciortino, jetzt Professor an der Sapienza Università di Roma, war Mitglied des ursprünglichen Forschungsteams an der Boston University und ist auch Co -Autor dieser Abhandlung.

Das Team hat Computersimulationen verwendet, um zu erklären, welche Merkmale die beiden Flüssigkeiten auf mikroskopischer Ebene unterscheiden. Sie fanden heraus, dass die Wassermoleküle in der Flüssigkeit mit hoher Dichte Anordnungen bilden, die als „topologisch komplex“ gelten, wie beispielsweise ein Kleeblattknoten (denken Sie an die Moleküle, die so angeordnet sind, dass sie einer Brezel ähneln) oder ein Hopf-Link ( denken Sie an zwei Glieder in einer Stahlkette). Man sagt also, dass die Moleküle in der hochdichten Flüssigkeit verschränkt sind.

Im Gegensatz dazu bilden die Moleküle in der Flüssigkeit niedriger Dichte meistens einfache Ringe, und daher sind die Moleküle in der Flüssigkeit niedriger Dichte entwirrt.

Andreas Neophytou, ein Ph.D. Student an der University of Birmingham bei Dr. Dwaipayan Chakrabarti, ist Hauptautor der Veröffentlichung. Er sagt: „Diese Erkenntnis hat uns eine völlig neue Sichtweise auf ein mittlerweile 30 Jahre altes Forschungsproblem geliefert und wird hoffentlich nur der Anfang sein.“

Die Forscher verwendeten in ihrer Simulation ein kolloidales Wassermodell und dann zwei weit verbreitete molekulare Wassermodelle. Kolloide sind Teilchen, die tausendmal größer sein können als ein einzelnes Wassermolekül. Aufgrund ihrer relativ größeren Größe und damit langsameren Bewegungen werden Kolloide verwendet, um physikalische Phänomene zu beobachten und zu verstehen, die auch auf den viel kleineren atomaren und molekularen Längenskalen auftreten.

Dr. Chakrabarti, ein Co-Autor, sagt: „Dieses kolloidale Wassermodell bietet ein Vergrößerungsglas für molekulares Wasser und ermöglicht es uns, die Geheimnisse des Wassers in Bezug auf die Geschichte zweier Flüssigkeiten zu lüften.“

Professor Sciortino sagt: „In dieser Arbeit schlagen wir zum ersten Mal eine Ansicht des Flüssig-Flüssig-Phasenübergangs vor, die auf Ideen der Netzwerkverschränkung basiert. Ich bin sicher, dass diese Arbeit zu neuartigen theoretischen Modellen auf der Grundlage topologischer Konzepte inspirieren wird.“

Das Team geht davon aus, dass das von ihnen entwickelte Modell den Weg für neue Experimente ebnen wird, die die Theorie validieren und das Konzept der „verschränkten“ Flüssigkeiten auf andere Flüssigkeiten wie Silizium ausdehnen werden.

Pablo Debenedetti, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Princeton University in den USA und ein weltweit führender Experte auf diesem Forschungsgebiet, bemerkt: „Diese schöne Computerarbeit deckt die topologische Grundlage auf, die der Existenz verschiedener flüssiger Phasen im selben Netzwerk zugrunde liegt -bildende Substanz.

„Auf diese Weise bereichert und vertieft es unser Verständnis eines Phänomens, von dem zahlreiche experimentelle und rechnerische Beweise zunehmend darauf hindeuten, dass es für die Physik dieser wichtigsten Flüssigkeit von zentraler Bedeutung ist: Wasser.“

Christian Micheletti, Professor an der International School for Advanced Studies in Triest, Italien, dessen aktuelles Forschungsinteresse darin liegt, die Auswirkungen von Verflechtungen, insbesondere von Knoten und Verbindungen, auf die Statik, Kinetik und Funktionalität von Biopolymeren zu verstehen, sagt: „Mit dieser einzigen Veröffentlichung erzielten Neophytou et al. mehrere Durchbrüche, die sich auf verschiedene wissenschaftliche Bereiche auswirken werden.

„Erstens eröffnet ihr elegantes und experimentell zugängliches kolloidales Modell für Wasser völlig neue Perspektiven für groß angelegte Studien von Flüssigkeiten. Darüber hinaus liefern sie sehr starke Beweise dafür, dass Phasenübergänge, die für die traditionelle Analyse der lokalen Struktur von Flüssigkeiten möglicherweise schwer fassbar sind, stattdessen sind leicht durch Verfolgen der Knoten und Verknüpfungen im Bindungsnetzwerk der Flüssigkeit aufgenommen werden.

„Die Idee, nach solchen Feinheiten in dem etwas abstrakten Raum von Wegen zu suchen, die entlang vorübergehender molekularer Bindungen verlaufen, ist sehr wirkungsvoll, und ich gehe davon aus, dass sie weit verbreitet sein wird, um komplexe molekulare Systeme zu untersuchen.“

Sciortino sagt: „Wasser gibt eines nach dem anderen seine Geheimnisse preis. Träumen Sie davon, wie schön es wäre, wenn wir in die Flüssigkeit hineinsehen und das Tanzen der Wassermoleküle beobachten könnten, wie sie flackern und wie sie Partner wechseln und sich neu strukturieren das Wasserstoffbrückennetzwerk. Die Realisierung des Kolloidmodells für Wasser, das wir vorschlagen, kann diesen Traum wahr werden lassen.“