Natuurkundigen hebben een tweede fase van vloeibaar water ontdekt.

31134871 - ice cubes on blue background

Het is een van de meest fundamentele stoffen op aarde, het menselijk lichaam bestaat voor ongeveer 60% uit water en tegelijkertijd blijkt water eigenschappen te vertonen die ongewoon zijn in de natuurkunde.

Onderzoekers die de fysieke eigenschappen van water onderzocht hebben ontdekten dat bij verhitting tussen de 40 en 60 graden er een ‘overgangs temperatuur’ bereikt wordt. Bij deze overgangstemperatuur begint water veranderingen te vertonen tussen twee verschillende fasen van vloeistof.

Als chemische stof is water vitaal voor het leven op aarde, maar we hebben onderschat hoe fundamenteel vreemd de substantie zich gedraagt in vergelijking met natuurkundige wetten.
Met het idee dat elementen uit de natuur zich op een vaststaande manier gedragen is het bijzonder om te bedenken dat er meer fasen zijn van water dan de drie basis fasen: vast, vloeibaar, gas en onder uitzonderlijke omstandigheden ook een plasma achtige fase. Op veel manieren is water anders dan andere substanties op deze planeet die zich wel volgens vaste wetten gedragen.

Met uitzondering van kwik heeft water de hoogste oppervlakte spanning van alle vloeistoffen. Het is ook de enige stof waarvan de vaste fase kan drijven op de vloeibare fase en in tegenstelling tot vrijwel elke andere bekende stof zet water uit wanneer het bevriest.

Het heeft ook een afwijkend kookpunt. Terwijl het kookpunt van andere hydriden zoals waterstoftelluride en waterstofsulfide vermindert wanneer de moleculaire grootte vermindert, heeft H2O een verrassend hoog kookpunt voor een dergelijk klein moleculair gewicht.

“Niemand begrijpt water echt” geeft Philip Ball aan in Nature. ‘Het is beschamend om te erkennen, maar het spul wat twee derde van de oppervlakte van onze aarde bedekt is nog steeds een mysterie. Erger nog, hoe meer we kijken, hoe meer problemen zich opstapelen: nieuwe technieken die de moleculaire architectuur van water dieper en dieper onderzoeken werpen nog meer vragen op.’

Onderzoekers hebben nu aangetoond dat vloeibaar water ergens tussen de temperaturen van 40 tot 60 graden Celcius (104 en 140 graden Fahrenheit) ‘wisselt’ van fase, waardoor het een compleet nieuwe set aan eigenschappen vertoont afhankelijk van de fase waar het naartoe verandert.

Om dit uit te zoeken kijkt een internationaal team onder leiding van natuurkundige Laura Maestro van de universiteit van Oxford in Groot Britannië naar een aantal specifieke eigenschappen van water.

Ze keken naar zaken als warmte geleiding, brekingsindex, geleiding, oppervlaktespanning en de diëlectrische constante (hoe goed een elektrisch veld kan verspreiden door een stof) en hoe dit alles reageert op veranderingen in de temperatuur tussen 0 en 100 graden Celcius.

Wanneer het water 40 graden bereikte begonnen dingen te wisselen en de eigenschappen bleven veranderen tot de temperatuur 60 graden bereikte. Elke eigenschap had een verschillende ‘overgangs temperatuur’ ergens binnen deze grenzen, en de onderzoekers suggereren dat dit komt doordat het vloeibare water was verandert naar een andere fase.

Het team zette een aantal overgangs temperaturen op een rij voor deze eigenschappen: ongeveer 64 graden Celsius voor warmte geleiding, 50 graden Celsius voor de brekingsindex, ongeveer 53 graden Celsius voor geleidbaarheid, en 57 graden Celsius voor de oppervlaktespanning.

“Deze resultaten bevestigen dat in het bereik tussen de 0 tot 100 graden Celsius, vloeibaar water een overgangstemperatuur presenteert in vele van haar eigenschappen om en nabij de 50 graden Celcius” concluderen zij.

Dus wat gebeurt er hier? Het is nog niet duidelijk, maar het feit dat water wisselt tussen twee compleet verschillende vloeibare fasen bij bepaalde temperaturen kan gelinkt zijn aan waarom H2O zulke ongewone eigenschappen heeft in het algemeen.

Water moleculen behouden alleen een zeer korte verbinding tussen elkaar, en deze waterstof verbindingen zijn in werkelijkheid stukken zwakker dan de verbindingen tussen de individuele waterstof en zuurstof atomen binnen de moleculen.

Hierdoor zijn de waterstof verbindingen die water moleculen samen binden constant aan het verbreken en hervormen, en toch binnen al deze chaos, volharden bepaalde structuren en ‘regels’. Natuurkundigen vermoeden dat dit is wat water zijn ongewone eigenschappen geeft, maar niemand weet zeker hoe het precies werkt.

“Iedereen is het er over eens dat een enkel aspect van de moleculaire structuur van water het onderscheidt van de meeste andere vloeistoffen: vergankelijke waterstof verbindingen” schrijft Ball voor Nature.

“Deze fragiele verbindingen die de moleculen verbinden verbreken en vormen constant boven het smeltpunt van water, en imposeren toch nog steeds een zekere gradatie van structuur over de moculaire rommel. Dat is waar het consensus eindigt.”

Terwijl de resultaten van Maestro en haar team eerst nog gerepliceerd moeten worden door een onafhankelijk team voordat de boeken herschreven dienen te worden om de 4 (of 3,5?) fasen van water die mogelijk bestaan goed te reflecteren, zeggen ze dat hun ontdekking grote implicaties kan hebben voor nano en biologische systemen.

“Bijvoorbeeld; de optische eigenschappen van metaalachtigen (gouden en zilveren) nanodeeltjes verspreid in water, gebruikt als nanosondes, en de uitstoot eigenschappen van … quantum dots, ter gebruik voor fluoriserende bio-imaging en tumor opsporing, tonen enkelvoudig gedrag in dit temperatuur bereik” schrijven ze in hun onderzoek.

“Het doet ook de vraag rijzen of de temperatuur-gedreven structurele veranderingen in water effect hebben op biologische macro-moleculen in waterhoudende oplossingen, en in het bijzonder in proteïne, welke de vitale functionele biologische eenheden zijn in cellen.”

Het onderzoek is gepubliceerd in het International Journal of Nanotechnology.

Bron: Science alert

Facebooktwitterlinkedin
Comments are closed.

Algemene Voorwaarden

 

© 2018 Water Solutions. Alle rechten voorbehouden.

Ontvang gratis het Vochtbalans Herstelplan!

Word lid van onze mailinglijst en ontvang het vochtbalans herstelplan.

You have Successfully Subscribed!