211service.com
Kemister upptäcker fryspunkten för underkylt vatten
Det är lätt att föreställa sig att vatten måste vara ett av vetenskapens bäst förstådda material. När allt kommer omkring är denna vätska möjligen det bäst studerade ämnet på jorden. Men sanningen är att många av dess egenskaper fortfarande mystifierar forskare.
Ett olöst pussel är dess fryspunkt. Forskare har vetat i många år att du kan kyla flytande vatten långt under noll grader utan att det fryser. Det beror på att vatten behöver någon kärnbildningshändelse för att utlösa processen med isbildning. Utan iskärnbildning förblir den flytande.
Men hur lågt kan man gå?
Idag har vi ett slags svar tack vare Emily Moores och Valeria Molineros arbete vid University of Utah i Salt Lake City.
En del av problemet är att experiment för att mäta frystemperaturen är så svåra att utföra att ingen har lyckats med dem. Men bevisen pekar på sannolikheten att iskristaller börjar bildas ändå vid temperaturer på cirka -41 C.
Superkylt vatten ska frysa runt denna temperatur men ingen har lyckats mäta det eftersom det alltid börjar frysa tidigare.
Moore och Molinero kommer runt detta problem genom att simulera frysbeteendet hos över 250 000 vattenmolekyler på en dator. Vad de finner är att när den naturliga processen med isbildning börjar inträffa, kan vattnet inte förbli flytande vid mycket lägre temperaturer.
Faktum är att deras simulering indikerar att den naturliga fryspunkten för underkylt vatten är cirka -43 C, precis under den temperatur vid vilken iskristaller bildas naturligt. Det är som förväntat men simuleringen ger också nya insikter om hur denna frysning sker.
I detta tillstånd är vatten en blandning av is med låg densitet och vattenmolekyler som är på väg att bli is, vad kemister kallar fyra koordinerade vilket betyder att varje molekyl är kopplad till fyra andra. Strukturen av fyra koordinerade vatten verkar ha stor inverkan på hastigheten med vilken is kan bildas och det är detta som bestämmer fryspunkten.
Det finns dock en viktig varning. Simuleringarna kräver en större korrigering innan de ger ett fysiskt realistiskt resultat. Av någon anledning föreslår de att den naturliga isbildningen börjar ske vid cirka -71 C och att underkylt vatten fryser vid cirka -73 C.
Det är 30 grader lägre än i den verkliga världen. För att komma runt detta lägger Moore och Molinero helt enkelt till 30 grader till alla sina resultat. Varför simuleringen är ute så mycket är inte klart.
Om arbetet är giltigt kan det dock få stor inverkan på andra vetenskapsområden.
Temperaturen vid vilken underkylt vatten fryser är en viktig faktor vid molnbildning. Och små förändringar i denna process, när de ingår i klimatförändringsmodeller, kan ha stor inverkan på förutsägelserna om jordens framtid.
Exakt hur de nya siffrorna kommer att förändra klimatförutsägelserna är ännu inte klart. Och naturligtvis kommer klimatologer att vilja ha bättre bevis än en lite knäpp datorsimulering. Men det är ett anständigt steg framåt och värt att hålla ett öga på för dess inflytande på andra håll inom vetenskapen.
Ref: arxiv.org/abs/1107.1622: Strukturell transformation i underkylt vatten kontrollerar iskristallisationshastigheten