Apa acoperă aproximativ 70% din suprafața Pământului și constituie aproximativ 60% din masa corpului nostru, dar rămâne o substanță despre care oamenii de știință mai au multe de aflat. La temperaturi scăzute, de obicei apa se transformă în gheața cu care suntem obișnuiți. În unele cazuri, însă, devine un fel de „sticlă” bizară, cu o structură moleculară amorfă, relatează Science Alert.
Această formă ciudată a apei apare în norii stratosferici din regiunile polare. De asemenea, facilitează protejarea celulelor organismelor adaptate la frig împotriva deteriorării cauzate de cristalele de gheață la temperaturi extrem de scăzute.
Transformarea apei prin care trece de la stare lichidă la cea de sticlă a rămas în mare parte ascunsă tehnicilor de observație.
Citește șiCum se curăță caloriferele înainte de pornirea căldurii. Zonele în care se adună praful și pe care mulți le omit
Când temperatura scade, apa se transformă în mod obișnuit în cristale de gheață, care se îmbină reciproc într-o structură compactă și ordonată. Acest fenomen apare la valori de până la -45°C. Sub această limită se află o zonă termică extinsă, insuficient explorată, pe care oamenii de știință o numesc „țara nimănui”.
Se credea că transformarea apei într-o formă sticloasă se produce la aproximativ -135°C, însă gheața cristală a împiedicat eforturile cercetătorilor de a atinge această frontieră sticloasă.
nou studiu, cercetătorii au depășit această provocare prin reținerea apei într-o matrice, inspirându-se de metodele naturale, și au descoperit că până în prezent transformarea apei în sticlă era ignorată din cauza ritmului de cristalizare.
Fizicienii au blocat cantități minuscule de apă, de doar câteva molecule grosime – sau mai puțin de a miliarda parte dintr-un metru – între două straturi lipidice formate dintr-un tip special „transparent” de fitantriol, o moleculă de alcool gras care rămâne stabilă structural și fluidă în regimuri termice foarte scăzute.
După ce a fost observată în această manieră, apa nu a putut să se cristalizeze la scăderea temperaturii, ceea ce a permis cercetătorilor să urmărească cu atenție transformarea ei de la lichid la sticlă, în detalii remarcabile.
În mod neașteptat, au constatat că schimbarea în formă de sticlă se manifestă într-un interval de temperaturi mult mai extins decât se credea înainte.
În scopul de a observa modul în care apa se comportă la sub-nanometric, o grupă de fizicieni, sub conducerea lui Raffaele Mezzenga din ETH Zurich, în parteneriat cu cercetători ai Organizației Australiane pentru Știință și Tehnologie Nucleară (ANSTO), a îmbinat simulări digitale cu diverse metode sofisticate de sondare atomică.
O metodă de observare a recunoscut linia fasciculului de împrăștiere a razele X la unghiuri mici și mari a AN
Echipa a recurs, de asemenea, la două spectrometre, denumite Emu și Pelican, provenite din Centrul Australian pentru Împrăștierea Neutronilor, pentru a capta oscilațiile moleculare și a evidenția mișcarea atomilor de hidrogen din probă.
„Semnalul de neutroni, detectat de instrumentul nostru, este dominat de mișcările atomilor de hidrogen din apă”, explică Alice Klapproth, cercetător ANSTO pentru spectrometrul Emu.
„Acest lucru ne permite să măsurăm selectiv dinamica apei, chiar și atunci când apa este confinată într-o matrice moale complexă”, adaugă Klapproth.În ansamblu, cercetătorii au detectat o încetinire a dinamicii apei pe un interval surprinzător de mare, de la -63 la -20 de grade Celsius, o modificare pe care au explorat-o de-a lungul a șase ordine de mărime temporale, de la milionimi până la doar trilionimi de secundă.
Mai precis, o transformare radicală în comportamentul molecular se produce la temperaturi de aproximativ -35 până la -21 °C, pe măsură ce mișcarea rapidă a moleculelor de apă încetinește. În același timp, conversia statică în formă de sticlă se realizează între -74 și -64 °C, când apa se solidifică într-o structură solidă, sticloasă și dezordonată. În continuare, odată ce temperatura scade semnificativ, apa începe să se fractureze asemenea unei plăci înghețate de o bucată de nuga cu arahide.
În condiții de temperaturi extrem de scăzute, amestecul de apă și fitantriol devine fragil și începe să genereze fisuri atât la scară macro, cât și la nivel microscopic.
Acest studiu poate conduce la aplicații practice.
„Constatările noastre au o relevanță directă și mai largă pentru toate fenomenele fizice care implică apă criogenică nanoconfinată, cum ar fi crioprezervarea materialului biologic și congelarea profundă a alimentelor, pentru a numi doar câteva exemple”, spun cercetătorii.
COMENTARII / 0