Επιστήμονες αποκαλύπτουν την κρυφή κατάσταση του νερού που είναι ταυτόχρονα στερεή και υγρή

Παρότι το νερό είναι μία από τις πιο οικείες ουσίες στον πλανήτη μας, εξακολουθεί να κρύβει μυστήρια που αψηφούν την κοινή λογική. Μια νέα μελέτη από το Tokyo University of Science έρχεται να αποδείξει ότι, όταν εγκλωβιστεί σε εξαιρετικά μικρούς χώρους, το νερό μπορεί να μπει σε μια παράξενη «ενδιάμεση» κατάσταση, γνωστή ως κατάσταση προ-τήξης. Σε αυτήν την κατάσταση, τα μόρια του νερού διατηρούν τη σταθερότητα μιας στερεής δομής, αλλά ταυτόχρονα κινούνται με την ευκολία ενός υγρού.

Η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε στο Journal of the American Chemical Society, ανοίγει νέους δρόμους στην κατανόηση της συμπεριφοράς του νερού σε ακραίες συνθήκες, αλλά και στις πιθανές εφαρμογές του σε τεχνολογίες αιχμής.

Όταν το νερό βρίσκεται σε μικροσκοπικούς χώρους – όπως μέσα σε πρωτεΐνες, ορυκτά ή τεχνητά νανοϋλικά – παύει να συμπεριφέρεται όπως γνωρίζουμε. Αυτές οι συνθήκες περιορισμού είναι καθοριστικές για πολλές φυσικές και τεχνολογικές διεργασίες, όπως η ροή ιόντων μέσα από τις κυτταρικές μεμβράνες ή η λειτουργία νανοσυστημάτων μεταφοράς υγρών.

Η φάση premelting είχε προταθεί εδώ και χρόνια, αλλά ήταν δύσκολο να μελετηθεί. Τεχνικές όπως η ακτινογραφία επιτρέπουν την παρατήρηση της θέσης ατόμων εκτός του υδρογόνου, όχι όμως και τις ταχύτατες κινήσεις των μορίων νερού σε κλίμακα τρισεκατομμυριοστών του δευτερολέπτου.

Η ομάδα του καθηγητή Makoto Tadokoro, σε συνεργασία με τον λέκτορα Fumiya Kobayashi και τον υποψήφιο διδάκτορα Tomoya Namiki, ανέπτυξε μια διαφορετική προσέγγιση. Χρησιμοποίησαν φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) στερεάς κατάστασης, με «βαρύ νερό» (D2O) εγκλωβισμένο σε νανοπόρους ενός μοριακού κρυστάλλου. Οι πόροι αυτοί είχαν διάμετρο μόλις 1,6 νανόμετρα – ένα μέγεθος δέκα χιλιάδες φορές μικρότερο από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας.

Οι μετρήσεις αποκάλυψαν μια τριπλή, ιεραρχική οργάνωση των μορίων νερού, με διαφορετικά στρώματα να αλληλεπιδρούν μέσω δεσμών υδρογόνου. Αυτό που έκανε την ανακάλυψη εντυπωσιακή ήταν ότι τα μόρια παρέμεναν σε συγκεκριμένες θέσεις, σαν σε στερεή δομή, αλλά γύριζαν γύρω από τον άξονά τους με την ταχύτητα που παρατηρείται σε υγρή φάση.

Για να επιβεβαιώσουν τα ευρήματά τους, οι ερευνητές θέρμαναν σταδιακά το κρύσταλλο, παρακολουθώντας την πορεία από την παγωμένη στη ρευστή μορφή. Τα φάσματα NMR έδειξαν καθαρά ότι το νερό δεν περνούσε απότομα από τον πάγο στο υγρό, αλλά εισερχόταν πρώτα σε μια ενδιάμεση κατάσταση. Σε αυτήν, οι δεσμοί υδρογόνου ήταν μερικώς παραμορφωμένοι, με αποτέλεσμα να προκύπτει το premelting state: μια φάση όπου συνυπάρχουν στρώματα παγωμένου νερού με στρώματα μορίων που κινούνται πιο ελεύθερα.

Η ομάδα μέτρησε τον χρόνο χαλάρωσης των μορίων, δείχνοντας ότι ενώ η ενέργεια που απαιτείται για την κίνηση ήταν διαφορετική από εκείνη του κανονικού πάγου, η ταχύτητα περιστροφής των μορίων έμοιαζε με εκείνη του υγρού νερού.

Η κατανόηση του πώς το νερό συμπεριφέρεται σε περιορισμένους χώρους δεν είναι απλώς θεωρητικό ενδιαφέρον. Παίζει καθοριστικό ρόλο στη βιολογία, αφού εξηγεί πώς νερό και ιόντα περνούν μέσα από πρωτεΐνες και μεμβράνες, αλλά και στη νανοτεχνολογία, όπου σχεδιάζονται συστήματα μεταφοράς και αποθήκευσης ενέργειας.

Σύμφωνα με τον Tadokoro, η δυνατότητα ελέγχου των δομών πάγου μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία νέων υλικών που θα αποθηκεύουν ενεργειακά αέρια όπως υδρογόνο ή μεθάνιο. Αυτό θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για ασφαλή, φθηνά και αποδοτικά ενεργειακά συστήματα βασισμένα στο νερό.

[via]