211service.com
Chemici objevili bod tuhnutí podchlazené vody
Je snadné si představit, že voda musí být jedním z nejlépe pochopených materiálů ve vědě. Koneckonců, tato kapalina je možná nejlépe prozkoumanou látkou na Zemi. Pravdou ale je, že mnohé z jeho vlastností vědce stále mystifikují.
Jedna nevyřešená hádanka je její bod mrazu. Vědci již mnoho let vědí, že kapalnou vodu můžete ochladit hluboko pod nulu stupňů Celsia, aniž by zmrzla. Je to proto, že voda potřebuje nějakou nukleační událost, aby spustila proces tvorby ledu. Bez nukleace ledu zůstává tekutý.
Ale jak nízko můžete jít?
Dnes máme jakousi odpověď díky práci Emily Moore a Valeria Molinero na University of Utah v Salt Lake City.
Část problému spočívá v tom, že experimenty na měření teploty mrazu jsou tak obtížné, že je nikdo nezvládl. Důkazy však ukazují na pravděpodobnost, že se ledové krystaly začnou tvořit stejně při teplotách kolem -41 °C.
Přechlazená voda by měla zamrznout přibližně při této teplotě, ale nikomu se to nepodařilo změřit, protože vždy začne mrznout dříve.
Moore a Molinero tento problém obcházejí simulací zamrzání více než 250 000 molekul vody v počítači. Zjistili, že jakmile začne docházet k přirozenému procesu tvorby ledu, voda nemůže zůstat kapalná při mnohem nižších teplotách.
Jejich simulace ve skutečnosti ukazuje, že přirozený bod tuhnutí přechlazené vody je asi -43 C, tedy těsně pod teplotou, při které se přirozeně tvoří ledové krystaly. To je podle očekávání, ale simulace také poskytuje nový pohled na způsob, jakým k tomuto zmrazení dochází.
V tomto stavu je voda směsí ledu s nízkou hustotou a molekul vody, které jsou na pokraji přeměny v led, čemuž chemici říkají čtyři koordinované, což znamená, že každá molekula je spojena se čtyřmi dalšími. Zdá se, že struktura čtyř koordinovaných vod má významný vliv na rychlost, jakou se může tvořit led, a to je to, co určuje bod mrazu.
Existuje však důležité upozornění. Simulace vyžadují velkou korekci, než vytvoří fyzicky realistický výsledek. Z nějakého důvodu se domnívají, že k přirozené tvorbě ledu dochází při asi -71 C a že přechlazená voda zamrzá asi při -73 C.
To je o 30 stupňů méně než ve skutečném světě. Aby to Moore a Molinero obešli, jednoduše ke všem svým výsledkům přidají 30 stupňů. Proč je simulace tolik mimo, není jasné.
Pokud by však práce byla platná, mohla by mít zásadní dopad i v jiných oblastech vědy.
Teplota, při které přechlazená voda mrzne, je důležitým faktorem při tvorbě oblačnosti. A malé změny v tomto procesu, pokud jsou zaneseny do modelů změny klimatu, mohou mít velký dopad na předpovědi o budoucnosti Země.
Jak přesně nová čísla změní předpovědi klimatu, zatím není jasné. A samozřejmě, klimatologové budou chtít lepší důkazy než trochu nemotornou počítačovou simulaci. Ale je to slušný krok vpřed a stojí za to sledovat jeho vliv jinde ve vědě.
Ref: arxiv.org/abs/1107.1622: Strukturální transformace v podchlazené vodě řídí rychlost krystalizace ledu