Apa acoperă aproximativ 70% din suprafața Pământului și constituie aproximativ 60% din masa corpului nostru, dar rămâne o substanță despre care oamenii de știință mai au multe de aflat. La temperaturi scăzute, de obicei apa se transformă în gheața cu care suntem obișnuiți. În unele cazuri, însă, devine un fel de „sticlă” bizară, cu o structură moleculară amorfă, relatează Science Alert.
Această formă ciudată a apei se găsește în norii stratosferici din regiunile polare. De asemenea, ajută organismele iubitoare de frig să prevină deteriorarea celulară provocată de cristalele de gheață la temperaturi extrem de scăzute.
Cu toate acestea, transformarea apei din lichid în sticlă a rămas în mare parte ascunsă tehnicilor de observație.
Când îngheață, apa formează de obicei cristale de gheață care se blochează reciproc într-o structură rigidă și ordonată. Acest lucru se întâmplă la temperaturi de până la aproximativ -45 de grade Celsius, temperatură sub care se află o regiune termică vastă și puțin înțeleasă, numită de oamenii de știință „țara nimănui”.
Se credea că tranziția apei în stare sticloasă are loc undeva în jur de -135 de grade Celsius, însă gheața cristalină a zădărnicit încercările cercetătorilor de a ajunge la această graniță sticloasă.
Într-un nou studiu, oamenii de știință au rezolvat această problemă prin captarea apei într-o matrice, inspirați de trucurile naturii, și și-au dat seama că până acum au ratat transformarea apei în sticlă din cauza vitezei de cristalizare.
Fizicienii au blocat cantități minuscule de apă, de doar câteva molecule grosime – sau mai puțin de a miliarda parte dintr-un metru – între două straturi lipidice formate dintr-un tip special „transparent” de fitantriol, o moleculă de alcool gras care rămâne stabilă structural și fluidă în regimuri termice foarte scăzute.
Astfel captată, apa a fost împiedicată să cristalizeze când temperatura scădea, permițând cercetătorilor să urmărească tranziția sa de la lichid la sticlă în detalii impresionante.
Spre surprinderea lor, au descoperit că această transformare sticloasă apare într-un interval de temperatură mult mai mare decât se credea anterior.
Pentru a urmări comportamentul apei la scară sub-nanometrică, o echipă de fizicieni condusă de Raffaele Mezzenga de la ETH Zurich, în colaborare cu oameni de știință de la Organizația Australiană pentru Știință și Tehnologie Nucleară (ANSTO), a combinat modele computaționale cu o serie de tehnici avansate de sondare atomică.
O cale de observație a folosit linia de fascicul de împrăștiere a razelor X la unghiuri mici și mari a ANSTO, pentru a mapa structura apei captate în matricea lipidică la diferite temperaturi, prin intermediul razelor X extrem de luminoase produse într-un accelerator de particule.
Echipa a folosit, de asemenea, două spectrometre, numite Emu și Pelican, de la Centrul Australian pentru Împrăștierea Neutronilor, pentru a detecta vibrațiile moleculare și a dezvălui mișcarea atomilor de hidrogen din probă.
„Semnalul de neutroni, detectat de instrumentul nostru, este dominat de mișcările atomilor de hidrogen din apă”, explică Alice Klapproth, cercetător ANSTO pentru spectrometrul Emu.
„Acest lucru ne permite să măsurăm selectiv dinamica apei, chiar și atunci când apa este confinată într-o matrice moale complexă”, adaugă Klapproth.
În ansamblu, cercetătorii au detectat o încetinire a dinamicii apei pe un interval surprinzător de mare, de la -63 la -20 de grade Celsius, o modificare pe care au explorat-o de-a lungul a șase ordine de mărime temporale, de la milionimi până la doar trilionimi de secundă.
Mai exact, o schimbare dramatică în dinamica moleculară are loc în jur de -35 până la -21 de grade Celsius, pe măsură ce acțiunea cinetică a moleculelor de apă devine lentă. Iar tranziția structurală statică în sticlă are loc între -74 și -64 de grade Celsius, când apa devine blocată într-o stare solidă, sticloasă și dezorganizată.
Apoi, când temperatura scade cu adevărat, începe să crape ca o placă congelată de nuga cu arahide.
La temperaturi foarte scăzute, proba de apă și fitantriol devine casantă și începe să formeze crăpături macro- și microscopice.
Această cercetare ar putea avea și aplicații practice.
„Constatările noastre au o relevanță directă și mai largă pentru toate fenomenele fizice care implică apă criogenică nanoconfinată, cum ar fi crioprezervarea materialului biologic și congelarea profundă a alimentelor, pentru a numi doar câteva exemple”, spun cercetătorii.
Editor : M.B.
About the Author
