Fysici bewijzen suggestie dat er twee soorten sterk onderkoeld water zijn
Door een bijzonder soort antivries te gebruiken zijn onderzoekers van UvA en Arizona State University in Phoenix erin geslaagd om een zogenoemde ‘toestandsverandering’ in vloeibaar water waar te nemen bij extreem lage temperatuur van ongeveer tachtig graden onder nul.
Je schoolboekenkennis kan overboord: niet al het water bevriest bij nul graden. Om te kunnen bevriezen, moeten watermoleculen ergens beginnen met het maken van een ijskristal. In heel schoon water is dat heel moeilijk en dat water bevriest daarom pas rond de min veertig graden. Water dat bij temperaturen onder het vriespunt nog vloeibaar is, wordt onderkoeld water genoemd. Onderkoeld water is bijvoorbeeld water in wolken, dat ondanks een temperatuur van ver beneden de nul graden toch vloeibaar blijft.
Compact en minder compact
Vijfentwintig jaar geleden beredeneerden theoretisch natuurkundigen van Boston University dat er twee verschillende toestanden van onderkoeld water konden zijn: een compacte en een minder compacte. Maar het was tot nu toe nooit gelukt deze suggestie in een experiment te bewijzen. De afgelopen jaren versterkten computersimulaties en experimenten wel het idee dat dit bestond, maar het bleef moeilijk om de twee theoretisch voorspelde vloeibare toestanden ook echt experimenteel waar te nemen.
Bijzonder hoogleraar molecuulspectroscopie Sander Woutersen, computersimulatiedeskundige Bernd Ensing en engineer Michiel Hilbers zijn daar nu wel in geslaagd, in samenwerking met twee collega-wetenschappers van de Arizona State University in de Verenigde Staten. In wetenschappelijk tijdschrift Science hebben ze hun experiment en de bevindingen beschreven, waarbij ze lieten zien hoe ze met een antivriesmiddel bij ongeveer tachtig graden onder nul de overgang tussen twee verschillende vloeibare toestanden van onderkoeld water konden waarnemen.
Zomervakantie
In de zomer van 2016 bracht de Amerikaanse chemicus Austen Angell een bezoek aan het van het Van der Waals-Zeeman Instituut voor experimentele fysica. Hij sprak ter plekke met Woutersen en suggereerde het onderkoeld water te mengen met een speciaal soort antivries, waardoor bij ongeveer min tachtig graden een verandering in de vloeistofstructuur zichtbaar werd. Wanneer de vloeistof weer werd opgewarmd, veranderde bij diezelfde temperatuur de vloeistofstructuur weer terug. Daarmee lijkt de twee-vloeistof-hypothese voor onderkoeld water, na meer dan 25 jaar, eindelijk experimenteel bevestigd. ‘Lijkt!’, benadrukt Woutersen desgevraagd, ‘want let wel: dit is water met een flinke scheut antivries erin.’
Op de vraag aan Woutersen voor welk chemisch, fysisch of maatschappelijk probleem dit een oplossing is antwoordt hij: ‘Dit onderzoek is puur gedaan uit nieuwsgierigheid, het nut ervan is dat we nu begrijpen waar de vreemde eigenschappen van water - bijvoorbeeld dat het beneden 4 graden Celsius uitzet bij afkoelen - vandaan komen. Die vreemde eigenschappen zijn namelijk een direct gevolg van het bestaan van de vloeistof-vloeistof-toestandsverandering bij zeer lage temperatuur.’
Hier kun je een open webcollege van Sander Woutersen over water bekijken. Lees hier het abstract van het onderzoek in Science.
