, 2023/3/22
A víz 32 Fahrenheit-fokos hőmérsékleten legtöbbször jéggé kristályosodik, de nem mindig. A Flickr felhasználó s.alt jóvoltából. E bejegyzés címe egy általános iskolai természettudományos vizsgára való kérdésnek tűnne, de a válasz sokkal bonyolultabb, mint amilyennek elsőre tűnik. Mindannyian azt tanultuk, hogy a víz 32 Fahrenheit-fokon, 0 Celsius-fokon, 273,15 Kelvinben fagy meg.
Ez azonban nem mindig van így. A tudósok találtak már -40 fokos folyékony vizet a felhőkben, sőt, a laboratóriumban -42 fokosra is lehűtötték a vizet. Milyen mélyre tudtak lemenni? Erre a kérdésre nehéz választ adni. Amikor a folyékony vizet -42 fok alá hűtik, túl gyorsan kristályosodik jéggé ahhoz, hogy a tudósok meg tudják mérni a folyadék hőmérsékletét.
Ezért Emily Moore és Valeria Molinero, a Utah-i Egyetem munkatársai 32 768 vízmolekulát (kevesebb molekulát, mint amennyi egy esőcseppben található) tartalmazó, kifinomult számítógépes szimulációt fejlesztettek ki, amelynek segítségével megnézhették, mi történik a víz hőkapacitásával, sűrűségével és összenyomhatóságával, amikor az túlhűl, és meghatározhatták, mi történik, amikor 4000 molekula megfagy. Eredményeik a Nature folyóiratban jelentek meg.
Ahogy a víz hőmérséklete megközelíti az -55 fokot, a vízmolekulák tetraédereket alkotnak, amelyekben minden molekula lazán kötődik négy másik molekulához. A víz sűrűsége csökken, hőkapacitása megnő, és összenyomhatósága megnő. "A víz szerkezetének változása szabályozza a jégképződés sebességét" - mondja Molinero. "Megmutatjuk, hogy mind a víz termodinamikáját, mind a kristályosodás sebességét a folyékony víz szerkezetének a jég szerkezetéhez közelítő változása szabályozza." Molinero szerint -55 fok alatt a folyékony víz apró darabkái még létezhetnek, de csak hihetetlenül rövid ideig.
A víznek ez a szuperhűtése azért lehetséges, mert a víznek szüksége van egy kis magra vagy jégmagra ahhoz, hogy a molekulák kristályokat alkossanak, és a nagyon tiszta vízben "csak úgy lehet magot képezni, ha spontán módon megváltoztatjuk a folyadék szerkezetét" - mondja Molinero. Ezek a magok addig nem alakulnak ki vagy nem nőnek elég nagyra, amíg a folyékony vízmolekulák szerkezete meg nem közelíti a szilárd jég szerkezetét, ami nem történik meg, amíg a víz nem lesz olyan hihetetlenül hideg.