L'acqua ha molte proprietà insolite, come la sua forma solida, Ghiaccio, essere in grado di galleggiare in acqua liquida, e diventano più strani al di sotto del punto di congelamento. L'acqua superraffreddata, al di sotto dello zero ma ancora allo stato liquido, è notoriamente difficile da studiare. Alcuni ricercatori pensavano che l'acqua superraffreddata si comportasse in modo strano in un intervallo particolarmente freddo, passando da un liquido a un solido, cristallizzando istantaneamente a una particolare temperatura come qualcosa di un romanzo di Kurt Vonnegut.

Ora, i ricercatori hanno escogitato un modo per scattare istantanee del congelamento dell'acqua all'interno di quell'intervallo profondamente super raffreddato. E indovina cosa? L'acqua non è così strana come potrebbe essere. L'acqua liquida può esistere fino in fondo, cristallizzandosi in un solido più lentamente man mano che le cose si raffreddano, come previsto, ma mai tutto in una volta.

Un team di ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory del Department of Energy ha riportato il lavoro in questa settimana Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze Edizione anticipata in linea. Anche se i risultati non cambieranno il modo in cui prepari il tuo tè freddo in estate, potrebbe aiutare i teorici ad approfondire la loro comprensione dell'acqua e aiutare gli scienziati atmosferici a capire meglio pioggia e nuvole.

Uno strano trucco dell'acqua

La maggior parte delle persone sa che il ghiaccio galleggia sull'acqua liquida, ma potrebbero non essere consapevoli che l'acqua ha difficoltà a formare un bicchiere. Un vetro, come una finestra, è un solido in cui le molecole sono effettivamente disposte come sarebbero in un liquido.

Prendi un mazzo di arance. Le arance alla rinfusa in un sacchetto sono come un liquido:le singole molecole possono muoversi abbastanza liberamente. Se imballi ordinatamente le arance in una scatola, tu formi un cristallo. Se stringi il sacchetto e impedisci alle arance confuse di muoversi ma senza disporle ordinatamente, tu formi un bicchiere.

Gli occhiali sono fantastici perché possono contenere contaminanti:pensa a una mosca nell'ambra, o scorie nucleari in vetro vetrificato, mentre i cristalli espellono i contaminanti:il congelamento dell'acqua di mare è un modo per desalinizzare l'acqua. Per fare un bicchiere, i ricercatori fondono la sabbia o un altro componente finché non diventa liquido. E poi lo raffreddano così velocemente che non può formare un cristallo prima che si solidifichi.

Ma congelare l'acqua sfusa velocemente e non forma un bicchiere. Diventa rapidamente ghiaccio. Per diventare vetro, l'acqua liquida deve essere raffreddata a una temperatura profondamente sotto lo zero entro microsecondi, circa 136 Kelvin (circa meno 215 gradi F), una temperatura comune nello spazio esterno, dove alcuni si aspettano che esista acqua vitrea.

L'intervallo che è stato difficile da studiare è leggermente al di sopra della cosiddetta temperatura di transizione vetrosa. Gli scienziati non sanno cosa sta succedendo tra circa 160 e 235 K. (Nella vita reale, è tra la temperatura sulla luna di Marte Phobos e Fairbanks, Alaska, nel cuore dell'inverno.) All'estremità superiore di tale intervallo (più vicino a 235 K, Fairbanks), l'acqua si congela da un liquido super raffreddato a un cristallo in millisecondi, che è troppo veloce per studiare le attuali tecniche analitiche.

Gli scienziati hanno escogitato una serie di idee per spiegare cosa potrebbe succedere in quella regione inesplorata. Si chiedevano se l'acqua sarebbe rimasta metastabile - liquida ma pronta a iniziare a cristallizzare in un attimo - fino a temperature in cui diventa un bicchiere. O se il liquido diventasse instabile da qualche parte più caldo di così, intorno a 228 K (un po' più caldo dei minimi storici alla stazione McMurdo in Antartide), a quel punto si cristallizzerebbe spontaneamente a causa di ciò che i fisici chiamano singolarità. Anche, potrebbe accadere qualcosa all'interno di quell'intervallo che può aiutare a spiegare perché l'acqua ha difficoltà a formare un bicchiere.

"C'era una pletora di postulati ma una scarsità di dati, ", ha detto il fisico chimico del PNNL Bruce Kay.

"Il nostro obiettivo era sviluppare una nuova tecnica per riscaldare e raffreddare rapidamente film d'acqua superraffreddati su scala nanometrica, ", ha detto il fisico della PNNL Greg Kimmel.

Il mistero dentro

Per ottenere i dati in quell'intervallo non misurabile, Kimmel e Kay hanno lavorato con Yuntao Xu, un esperto di laser, e altri al PNNL e hanno sviluppato un modo per riscaldare e raffreddare l'acqua su scale temporali di nanosecondi con un laser. Usando questo metodo, gli scienziati del PNNL hanno misurato la velocità con cui l'acqua superraffreddata si è convertita in ghiaccio cristallino al diminuire della temperatura. Il tempo di cristallizzazione è sceso da nanosecondi vicino alle temperature più elevate a ore a 126 K. In nessun momento, soprattutto a 228 K, l'acqua superraffreddata si è incastrata in un cristallo, escludendo la possibilità di una singolarità.

Per cercare la singolarità da un'altra angolazione, i ricercatori hanno esplorato la velocità con cui possono muoversi le molecole dell'acqua superraffreddata, e quanto è cambiato quando è diventato più freddo. Se esistesse la singolarità, si aspetterebbero che le molecole d'acqua non siano in grado di muoversi ad un certo punto. Dal punto di congelamento fino al punto di glassatura, le molecole si muovevano sempre più lentamente in modo complesso ma continuo. Globale, la relazione tra la temperatura e la velocità con cui le molecole potevano muoversi non suggeriva una singolarità a 228 K.

"Probabilmente possiamo togliere la singolarità dal tavolo, ", ha detto Kay di PNNL.

Presi insieme, i risultati forniscono preziose informazioni sul comportamento dell'acqua.

"Per esempio, nella chimica atmosferica, gocce d'acqua super raffreddate si trovano nelle nuvole. Ci sono domande su quanto tempo persistono, ", ha detto Kimmel di PNNL.