Struktura wody z "ziemi niczyjej"
Tekst: prof. dr hab. Helena Dodziuk
dodziuk10@vp.pl, ichf.edu.pl/person/dodziuk.htm
Woda, bez której niemożliwe byłoby życie na Ziemi, ma bardzo nietypowe właściwości. M. in. w formie stałej jako lód jest lżejsza niż jako ciecz, dlatego kry pływają po powierzchni rzek, jezior i mórz. Największą gęstość woda ma w temperaturze 4oC, dzięki czemu akweny nie zamarzają do dna pozwalając rybom przeżyć zimę. Woda absorbuje znaczne ilości ciepła i przenosi je z prądami morskimi na bardzo duże odległości w istotny sposób wpływając na klimat na Ziemi. Nietypowe właściwości wody są ściśle związane z jej dynamiczną strukturą. Jak wspomniano przy omawianiu klatratów hydratów1, woda tworzy sieć stale wymieniających się wiązań wodorowych, które nie są trwałe nawet w ciele stałym. Dzięki temu możliwe jest m.in. istnienie 15 różnych postaci krystalicznych lodu2.
Rys. 1. Schemat dynamicznej wymiany wiązań wodorowych w wodzie.
W warunkach normalnych czysta woda przekształca się w lód przy 0oC, ale bardzo czystą wodę można przechłodzić. Pozostaje wtedy ona w stanie ciekłym przy ciśnieniu 1 atm aż do -41oC. Poniżej -113oC woda jest w postaci szkliwa (ang. glassy water), a obszar pośredni to „ziemia niczyja” (ang. no-man’s land). W tym obszarze nietypowe termodynamiczne właściwości wody są dużo silniej wyrażone. Dotychczas brak było możliwości eksperymentalnego badania jej struktury w tych warunkach, a wyniki prac teoretycznych w istotny sposób zależały od zastosowanych przybliżeń. Należy podkreślić, że prawidłowy opis dość słabych (4 – 40 kcal/mol) i stale się zmieniających układów wiązań wodorowych w wodzie stanowi duże wyzwanie dla modelowania komputerowego właściwości wody, zaś badania doświadczalne w zakresach ekstremalnych dostarczają danych pozwalających na sprawdzenie i uściślenie modeli teoretycznych, które nie są przez wszystkich badaczy zaakceptowane i wzbudzają ostre dyskusje3.
Ostatnio naukowcy w SLAC
National Accelerator Laboratory amerykańskiego Department of
Energy do badania struktury wody z „ziemi niczyjej” na chwilę
przed jej zamarznięciem3 wykorzystali jako źródło
promieniowania najsilniejszy obecnie laser o promieniowaniu
koherentnym w zakresie fal rentgenowskich (Linac Coherent
Light Source X-ray laser). W tym celu badacze wytworzyli stały
przepływ malutkich kropelek wody w komorze próżniowej. Gdy
kropelki te poruszały się w kierunku wiązki laserowej część
zawartej w nich cieczy parowała dodatkowo ochładzając
pozostałą ciecz podobnie jak chłodzi nas parowanie potu. Przez
dopasowanie długości toru poruszających się kropelek można
było regulować temperaturę, którą miały one napotykając wiązkę
lasera rentgenowskiego o femtosekundowej długości trwania
impulsu. W omawianej pracy wykazano, że w takich warunkach
woda jest w metastabilnym stanie ciekłym (czas życia takich
kropelek oceniono na milisekundy) i wyznaczono jej strukturę.
Dotychczas próbowano hamować krystalizację silnie
przechłodzonej wody zamykając ją w nanopojemnikach4,
nanokropelkach5 i białkach4, ale nie jest jasne jak
oddziaływanie wody z ograniczającą ją powierzchnią wpływa na
jej zachowanie.
Należy podkreślić, że praca ta została wykonana wspólnie przez naukowców z kilku ośrodków w Stanach Zjednoczonych, Szwecji i Niemczech, a lista współautorów zawiera ponad 25 nazwisk.
Literatura
(1) Dodziuk, H., Klatraty
hydratów czyli palący się „metanowy lód”, https://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/klatraty%20hydratow.html
(2) Praveen, T. K., Velumurgan, A., www.lpi.usra.edu/meetings/scssi2008/pdf/9014.pdf. 2008.
(3) Sellberg, J. A.;
Nilson, A., Ultrafast X-ray probing of water structure below
the homogeneous ice nucleation temperature Nature 2014, 510, 381-384.
(4) Mallamace, F.,
Corsaro, C., Baglioni, P., Fratini, E. & Chen, S.-H., ,
The dynamical crossover phenomenon in bulk water, confined
water and protein hydration water J. Phys. Condens.
Matter 2012,
24, 064103.
(5) Manka, A. e. a., Freezing water in no-man’s Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 4505-4516.
Układ html: K. Rochowicz
