- Oamenii de știință au dezvoltat o tehnică care răcește apa până la minimum 228 Kelvin fără a o îngheța.
- Cu cât picătura este mai mică, cu atât mai rece poate fi răcită în timp ce se află în fază lichidă.
- Aceștia au folosit impulsuri laser pentru a monitoriza dimensiunea picăturilor și pentru a măsura pozițiile vârfurilor de rezonanță din lumina împrăștiată.
Știm cu toții că punctul de îngheț al apei este de 0°C, dar acesta nu este cel mai rece punct (în stare lichidă) la care ar putea ajunge. Recent, cercetătorii au dezvoltat o nouă metodologie care a măsurat cea mai scăzută temperatură înregistrată vreodată pentru apa lichidă.
O echipă de oameni de știință a reușit să răcească apa lichidă până la 228 Kelvin (-45,15°C), iar o alta până la 230 Kelvin (-43,15°C). Acest lucru este grozav din mai multe motive științifice și pentru faptul că apa este ciudată și extrem de importantă pentru înțelegerea planetei pe care trăim. De asemenea, nu se supune întotdeauna regulilor de fizică pe care le-ați învățat la școală.
Apa are proprietăți ciudate care devin și mai ciudate pe măsură ce temperaturile ajung la minim. Nu îngheață întotdeauna sub 0°C în anumite condiții. Cercetătorii au demonstrat unele dintre aceste scenarii în cele mai recente descoperiri ale lor.
Condiții de răcire
Temperatura depinde de energia cinetică medie a unui set de molecule. Cu cât acestea se mișcă mai puțin, cu atât temperatura lor este mai scăzută. De fapt, depinde de o mulțime de alți factori dacă moleculele încep să formeze cristale (sau să înghețe). Este nevoie de un nucleu pentru a se forma și a începe să atragă alte molecule vecine. Sub 0°C, apa preferă să fie un cristal.
Cu toate acestea, cercetătorii au dezvoltat o nouă tehnică care împiedică cristalizarea apei. Aceasta include măsurarea temperaturii picăturilor de apă prin diametrul lor.
Ambele echipe au realizat propria “apă super rece” prin lansarea unor jeturi de picături de apă foarte mici într-un vid. Picăturile de apă mai mici au mai puține șanse să cristalizeze din alte particule. Cu cât picătura este mai mică, cu atât mai rece poate deveni în timp ce se află în fază lichidă.
Împărțirea picăturilor în alte bucăți mici expune mai multe dintre ele la vid, provocând un tip neobișnuit de răcire în vid. Scăderea presiunii permite particulelor (de la suprafață) să se evapore rapid, ceea ce elimină imediat căldurile din picăturile de apă, reducând brusc temperatura acestora. Atunci când sunt măsurate, aceste picături de apă înregistrează temperaturi uimitor de scăzute.
Referință: Journals.aps | doi:10.1103/PhysRevLett.120.015501
Configurarea experimentelor
Configurarea experimentelor nu a fost o sarcină ușoară. Ambele echipe au pulverizat un jet de picături de apă mici (de mărimea unui micrometru) într-o cameră de vid. O parte din lichidul picăturilor s-a evaporat în timp ce acestea călătoreau, răcind porțiunea din stânga și făcând ca picătura să se micșoreze. Prin urmare, cantitatea de răcire a putut fi măsurată prin observarea diametrului picăturilor.
Pentru a monitoriza dimensiunea picăturilor cu o precizie de 10 nanometri și pentru a măsura pozițiile vârfurilor de rezonanță în lumina împrăștiată, au folosit impulsuri laser. Analizând modul în care aceste picături își schimbă dimensiunea (diametrul) pe măsură ce părăsesc duza, oamenii de știință au ajutat oamenii de știință să măsoare cu precizie temperaturile acestora.
Cele două faze lichide
Echipa care a coborât apa lichidă până la -45,15°C, a observat un lucru ciudat – apa supraîncălzită putea exista în două faze de densitate diferită în același timp. Acest lucru depinde de clusterele unor molecule de apă conectate, stivuite în picături.
Examinând modelele de difracție ale picăturilor de lichid pur, oamenii de știință au calculat modul în care compresibilitatea lor variază în funcție de temperatură. Rata de compresie a fost maximă la -44° C.
Atunci când un fluid se află într-un echilibru fluctuant între fazele de densitate mică și de densitate mare, acesta devine mai strivit. Acest lucru se întâmplă deoarece o anumită substanță care se transformă din faza de densitate mică în cea de densitate mare poate suporta creșterea presiunii. Potrivit cercetătorilor, compresibilitatea apare mai ales în apropierea punctului de trecere, unde apa lichidă conține proporții aproape egale de structuri locale cu densitate mică și mare.
Compresibilitatea maximă în funcție de diferența de presiune în comparație cu “punctul critic lichid-lichid”
Referință: Sciencemag | doi:10.1126/science.aap8269
Ce urmează?
În ciuda faptului că este lichidul cel mai important de pe Pământ, apa este o substanță derutantă, cu proprietăți care o fac diferită de alte lichide. Încă nu știm exact cât de rece poate deveni apa lichidă în anumite scenarii.
Citiți: Cel mai rece cip nanoelectronic din lume | 2,8 milliKelvin
Picăturile de apă superîncălzită apar în mod natural în atmosfera superioară a planetei noastre. Cunoașterea naturii apei ar putea îmbunătăți înțelegerea noastră privind formarea gheții atmosferice și ar putea construi modele de nori mai fiabile. Deocamdată, următoarea mare provocare este de a găsi locația critică din punct de vedere al temperaturii și presiunii.
