Chemici ontdekken vriespunt van onderkoeld water

Het is gemakkelijk voor te stellen dat water een van de best begrepen materialen in de wetenschap moet zijn. Deze vloeistof is immers mogelijk de best bestudeerde stof op aarde. Maar de waarheid is dat veel van zijn eigenschappen wetenschappers nog steeds verbijsteren.

Een onopgeloste puzzel is het vriespunt. Wetenschappers weten al jaren dat je vloeibaar water tot ver onder nul graden Celsius kunt koelen zonder dat het bevriest. Dat komt omdat water een kiemvormingsgebeurtenis nodig heeft om het proces van ijsvorming te activeren. Zonder ijskiemvorming blijft het vloeibaar.

Maar hoe laag kun je gaan?

Vandaag hebben we een soort antwoord dankzij het werk van Emily Moore en Valeria Molinero aan de Universiteit van Utah in Salt Lake City.

Een deel van het probleem is dat experimenten om de vriestemperatuur te meten zo moeilijk uit te voeren zijn dat niemand ze is gelukt. Maar het bewijs wijst op de waarschijnlijkheid dat ijskristallen zich toch beginnen te vormen bij temperaturen van ongeveer -41 C.

Supergekoeld water zou rond deze temperatuur moeten bevriezen, maar niemand is erin geslaagd om het te meten omdat het altijd eerder begint te vriezen.

Moore en Molinero omzeilen dit probleem door het bevriezingsgedrag van meer dan 250.000 watermoleculen op een computer te simuleren. Wat ze ontdekken is dat als het natuurlijke proces van ijsvorming eenmaal begint op te treden, water bij veel lagere temperaturen niet vloeibaar kan blijven.

Hun simulatie geeft zelfs aan dat het natuurlijke vriespunt van onderkoeld water ongeveer -43 C is, net onder de temperatuur waarbij ijskristallen van nature worden gevormd. Dat is zoals verwacht, maar de simulatie geeft ook nieuwe inzichten in de manier waarop deze bevriezing plaatsvindt.

In deze toestand is water een mengsel van ijs met een lage dichtheid en watermoleculen die op het punt staan ​​ijs te worden, wat chemici vier gecoördineerde noemen, wat betekent dat elk molecuul is gekoppeld aan vier andere. De structuur van vier gecoördineerde wateren lijkt een belangrijke invloed te hebben op de snelheid waarmee ijs zich kan vormen en dit is wat het vriespunt bepaalt.

Er is echter een belangrijk voorbehoud. De simulaties vereisen een grote correctie voordat ze een fysiek realistisch resultaat opleveren. Om de een of andere reden suggereren ze dat de vorming van natuurlijk ijs begint op te treden bij ongeveer -71 C en dat onderkoeld water bevriest bij ongeveer -73 C.

Dat is 30 graden lager dan in de echte wereld. Om dit te omzeilen, tellen Moore en Molinero eenvoudig 30 graden op bij al hun resultaten. Waarom de simulatie zo veel uit is, is niet duidelijk.

Als het werk valide is, kan het echter een grote impact hebben op andere wetenschapsgebieden.

De temperatuur waarbij onderkoeld water bevriest, is een belangrijke factor bij wolkenvorming. En kleine veranderingen in dit proces, wanneer ingevoerd in klimaatmodellen, kunnen een grote impact hebben op de voorspellingen over de toekomst van de aarde.

Hoe de nieuwe cijfers de klimaatvoorspellingen precies zullen veranderen, is nog niet duidelijk. En natuurlijk willen klimatologen beter bewijs dan een ietwat wankele computersimulatie. Maar het is een behoorlijke stap voorwaarts en het is de moeite waard om in de gaten te houden vanwege de invloed ervan elders in de wetenschap.

Ref: arxiv.org/abs/1107.1622: Structurele transformatie in onderkoeld water regelt de kristallisatiesnelheid van ijs

zich verstoppen