Het watermolecuul is uiterst simpel…

Een molecuul water bestaat uit twee waterstofatomen en een zuurstofatoom, maar toch blijft dat simpele molecuul verbazen met allerlei exotisch eigenschappen. Supergekoeld water met een temperatuur van 190 K ( – 83°C) bestaat uit twee vloeistoffen met een afwijkende soortelijke massa die naast elkaar kunnen bestaan en waarvan het aandeel van elk afhangt van de temperatuur. Ik dacht dat dat al ontdekt was, maar kennelijk heb ik het mis.
Ik weet het. Water bevriest onder normale omstandigheden bij 0°C, maar toch komt water in vloeibare vorm ook bij lagere temperaturen voor. Dat fenomeen heet onder- of superkoeling.
Tot nu toe zou dat onderkoelde water ‘object’ zijn geweest van een verwoede discussie over theorieën en vermoedens. Zou vloeibaar water van 190 K wel mogelijk zijn? Was dat rare gedrag niet het gevolg van de overgang naar de vaste toestand? “We hebben laten zien dat vloeibaar water bij lage temperaturen niet alleen relatief stabiel is, maar bestaat uit twee structuren”, zegt Greg Kimmel van het Pacific Northwest Lab in de VS. “Er was een lang slepend meningsverschil of sterk onderkoeld water niet eerst kristalliseert voor het in evenwicht komt. Het antwoord is nee.”

Het schijnt knap lastig voor water te zijn om beneden het vriespunt te stollen. Water probeert bevriezing tegen te gaan tenzij dat ergens door wat geactiveerd zoals deeltjes of iets om zich aan ‘vast’ te houden. In zuiver water moet je veel moeite doen om water te laten bevriezen. Een van de vreemde eigenschappen van water is dat de soortelijke massa van de vaste vorm lager is dan van de vloeibare (gelukkig maar, anders hadden we nooit kunnen schaatsen). IJs neemt meer ruimte in dan vloeibaar water.

Dat vreemde gedrag van water heeft Bruce Kay en Gereg Kimmel al meer dan 25 jaar beziggehouden. Nu denken ze, samen met enkele andere onderzoekers, een mijlpaal bereikt te hebben in het inzicht hoe dat vreemde vreemde molecuul zich gedraagt.

Modellen

Er zijn diverse voorstellen gedaan om het vreemde gedrag te verklaren. Het (dit) jongste onderzoek laat zien dat onderkoeld water kan condenseren in een vloeistofachtige structuur met een hoge soortelijke massa. Die hogedichtheidsvorm komt naast de lagedichtheidsvorm voor, die meer overeenkomt met de bindingskrachten van watermoleculen. Het aandeel van de hogedichtheidsvorm neemt snel af als de temperatuur daalt van 245 K (-28°C) naar 190 K. Die waarneming ondersteunt de veronderstelling van mengmodellen voor supergekoeld water.

De onderzoekers bekeken met een infraroodspectometer supergekoeld water gevangen in een ijslaagje. Het voornaamste dat ze daar uit opmaakten was dat de structuurveranderingen omkeerbaar en reproduceerbaar waren.

Dit onderzoek zou verklaren hoe hagelsneeuw (schijnt ook graupel genoemd te worden) ontstaat tijdens winterstormen. Dan komen sneeuwvlokken in de bovenste luchtlagen in aanraking met onderkoeld water. Dat is volgens de onderzoekers de enige keer dat de meeste mensen de effecten van onderkoeld water kunnen waarnemen. Supergekoeld water zou ook zorgen voor de staarten van kometen.
Het resultaat van dit onderzoek zou kennelijk ook iets kunnen betekenen voor medicijnonderzoek, denken de onderzoekers. Voorlopig zijn de onderzoekers nog niet uitgekeken op H₂O. Er valt nog wel het een en ander te onderzoeken, wat vreemdheid betreft.

Bron: Science Daily</em>