Wetenschappers hebben het bestaan bevestigd van een voorheen onbekend ‘kritisch punt’ in water vlak voordat het bevriest. Daarmee is een bizarre overgangstoestand aan het licht gekomen die het conventionele begrip van deze essentiële stof op de proef stelt. De ontdekking, gedaan door een internationaal team van onderzoekers, werpt licht op waarom water zich zo ongewoon gedraagt bij lage temperaturen en kan gevolgen hebben voor vakgebieden variërend van klimaatwetenschap tot biologie.
De raarheid van onderkoeld water
Water tart de typische natuurkunde wanneer het wordt afgekoeld. In tegenstelling tot de meeste materialen krimpt het niet simpelweg en wordt het dichter als de temperatuur daalt. In plaats daarvan vertoont het afwijkingen: het kan ver onder het vriespunt vloeibaar blijven – een toestand die bekend staat als superkoeling – en wetenschappers hebben lang vermoed dat het zich onder bepaalde omstandigheden in twee afzonderlijke vloeibare fasen scheidt: de ene dicht, de andere minder.
Decennia lang was het idee van een kritisch punt waar deze fasen samenvloeien theoretisch. Deze nieuwe studie levert het meest directe bewijs tot nu toe. Het team gebruikte een combinatie van snelle verwarming (via infraroodlasers) en ultrasnelle röntgenwaarnemingen om het gedrag van water vast te leggen terwijl het overgaat van onderkoelde vloeistof, via een kritisch punt naar bevriezing.
“Al tientallen jaren zijn er speculaties en verschillende theorieën geweest om deze opmerkelijke eigenschappen te verklaren, en één theorie was het bestaan van een kritisch punt. Nu hebben we ontdekt dat zo’n punt bestaat.” – Anders Nilsson, Universiteit van Stockholm
Een “niemandsland” voor metingen
De uitdaging ligt in de snelheid waarmee dit gebeurt. Water balanceert op de rand van het vriespunt, waardoor nauwkeurige metingen notoir moeilijk zijn. Onderzoekers beschrijven dat dit proces zich afspeelt in een ‘niemandsland’, waar het vastleggen van de transitie instrumenten vereist die op onvoorstelbaar snelle tijdschalen werken.
De experimenten hebben de waarschijnlijke locatie van het kritieke punt teruggebracht tot ongeveer -63 ° C (-81,4 ° F) bij extreme druk (1000 atmosfeer). Het team merkte op dat naarmate water dit punt nadert, de moleculaire dynamiek ervan dramatisch vertraagt, waardoor de overgang onvermijdelijk wordt. Het gedrag lijkt op dat van een zwart gat, waaruit niets kan ontsnappen zodra het de waarnemingshorizon passeert.
Waarom dit belangrijk is
Hoewel deze ontdekking schijnbaar esoterisch lijkt, is ze van fundamenteel belang om te begrijpen hoe water zich gedraagt. De unieke eigenschappen van water – inclusief de uitzetting bij bevriezing (waarom ijs blijft drijven) – zijn van cruciaal belang voor het leven zoals wij dat kennen. Dit onderzoek bevordert niet alleen de natuurkunde; het informeert ons begrip van biologische processen, geologische verschijnselen en klimaatpatronen.
De vraag of het ongewone gedrag van water essentieel is voor het leven blijft open. De enige bekende vloeistof die in een superkritische toestand bestaat onder omgevingsomstandigheden waarin leven bestaat, kan de rol van water bij het ondersteunen van de biologie meer dan toeval zijn. Verder onderzoek zou nieuwe inzichten kunnen ontsluiten in de oorsprong en grenzen van het leven zelf.
Dit nieuwste onderzoek vormt een cruciale stap in de richting van het beslechten van al lang bestaande debatten over het gedrag van water en opent de deur voor nieuw onderzoek naar de rol ervan in de wereld om ons heen.
