Κάτω από ειδικές συνθήκες, το νερό δεν παγώνει στους μηδέν βαθμούς Κελσίου, γνωρίζουν εδώ και καιρό οι επιστήμονες. Τώρα, μοριακές προσομοιώσεις στον υπολογιστή αποκαλύπτουν για πρώτη φορά την απόλυτη θερμοκρασία στην οποία το νερό υποχρεωτικά γίνεται πάγος: μείον 48 βαθμοί Κελσίου. H θερμοκρασία πήξης του νερού γενικά εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως η καθαρότητά του και η ατμοσφαιρική πίεση. Σε αντίθεση με τα περισσότερα άλλα υγρά, τα οποία παγώνουν πιο εύκολα σε υψηλή πίεση, το νερό παγώνει σε θερμοκρασία λίγο χαμηλότερη από τους μηδέν βαθμούς Κελσίου όταν εκτεθεί σε πίεση πάνω από μία ατμόσφαιρα. Η θερμοκρασία πήξης μπορεί όμως να κατέβει και πολύ χαμηλότερα αν το νερό είναι απόλυτα καθαρό.
Ο λόγος είναι ότι ο σχηματισμός πάγου ξεκινά από σωματίδια σκόνης ή άλλων προσμείξεων, τα οποία λειτουργούν ως «πυρήνας» πάνω στον οποίο εμφανίζονται οι πρώτοι παγοκρύσταλλοι. Έτσι, το απόλυτα καθαρό νερό μπορεί να παραμείνει σε μια υγρή «υπερψυχρή» (supercooled) κατάσταση πολύ κάτω από το μηδέν.
Οι «παγωμένες» προσομοιώσειςΜέχρι σήμερα, η χαμηλότερη θερμοκρασία που είχε μετρηθεί σε αυτό το υπερψυχρό υγρό νερό ήταν -41 βαθμοί Κελσίου, αναφέρει το AFP. Οι φυσικοί, ωστόσο, υποψιάζονταν ότι το νερό μπορεί να παραμείνει στην υγρή φάση σε ακόμα χαμηλότερες θερμοκρασίες.
Αυτό όμως είναι δύσκολο να επιβεβαιωθεί πειραματικά λόγω των ασυνήθιστων θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του νερού. Επιπλέον, σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες το νερό μετατρέπεται σε πάγο τόσο γρήγορα ώστε είναι δύσκολο να καταγραφεί με ακρίβεια η στιγμή της μετάβασης.
Τη λύση δίνουν τώρα μοριακές προσομοιώσεις στον υπολογιστή που παρουσιάζονται στο περιοδικό Nature. Η Βαλέρια Μολινέρο και η Έμιλι Μουρ, και οι δύο χημικοί στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα, προσομοίωσαν τη συμπεριφορά 32.768 μορίων νερού, λαμβάνοντας υπόψη τη θερμοκρασία, τη θερμοχωρητικότητα του νερού, την πυκνότητα και το περιθώριο συμπίεσής του.
Χρειάστηκαν χιλιάδες ώρες υπολογισμών μέχρι η προσομοίωση να δώσει την τελική απάντηση: η θερμοκρασία στην οποία το νερό δεν μπορεί σε καμία περίπτωση να παραμείνει στην υγρή φάση είναι -48 βαθμοί. Όταν το νερό φτάνει αυτή τη θερμοκρασία, η πυκνότητά του μειώνεται, η δομή του αλλάζει και η συμπίεσή του είναι πιο εύκολη. Ως αποτέλεσμα, κάθε μόριο νερού σχηματίζει ασθενείς δεσμούς με τέσσερα άλλα μόρια και δημιουργεί έτσι ένα τετράεδρο.
Ο ενδιάμεσος πάγοςΑυτό όμως είναι δύσκολο να επιβεβαιωθεί πειραματικά λόγω των ασυνήθιστων θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του νερού. Επιπλέον, σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες το νερό μετατρέπεται σε πάγο τόσο γρήγορα ώστε είναι δύσκολο να καταγραφεί με ακρίβεια η στιγμή της μετάβασης.
Τη λύση δίνουν τώρα μοριακές προσομοιώσεις στον υπολογιστή που παρουσιάζονται στο περιοδικό Nature. Η Βαλέρια Μολινέρο και η Έμιλι Μουρ, και οι δύο χημικοί στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα, προσομοίωσαν τη συμπεριφορά 32.768 μορίων νερού, λαμβάνοντας υπόψη τη θερμοκρασία, τη θερμοχωρητικότητα του νερού, την πυκνότητα και το περιθώριο συμπίεσής του.
Χρειάστηκαν χιλιάδες ώρες υπολογισμών μέχρι η προσομοίωση να δώσει την τελική απάντηση: η θερμοκρασία στην οποία το νερό δεν μπορεί σε καμία περίπτωση να παραμείνει στην υγρή φάση είναι -48 βαθμοί. Όταν το νερό φτάνει αυτή τη θερμοκρασία, η πυκνότητά του μειώνεται, η δομή του αλλάζει και η συμπίεσή του είναι πιο εύκολη. Ως αποτέλεσμα, κάθε μόριο νερού σχηματίζει ασθενείς δεσμούς με τέσσερα άλλα μόρια και δημιουργεί έτσι ένα τετράεδρο.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, στη θερμοκρασία των -48 βαθμών το απόλυτα καθαρό νερό υπάρχει ως «ενδιάμεσος πάγος» -μια κατάσταση ανάμεσα στο υγρό και το στερεό. Πέρα όμως του ότι ικανοποιεί επιτέλους την επιστημονική περιέργεια, τα αποτελέσματα της μελέτης θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές εφαρμογές. Ο σχηματισμός παγοκρυστάλλων στην ατμόσφαιρα ενδιαφέρει για παράδειγμα τους επιστήμονες που μελετούν την κλιματική αλλαγή: υγρό νερό σε θερμοκρασίες μέχρι και -40 βαθμούς Κελσίου έχει βρεθεί στα σύννεφα.
Όπως σχολιάζει στο Γαλλικό Πρακτορείο η Δρ Μολινέρο, η απόλυτη θερμοκρασία που έδωσε η μελέτη είναι απαραίτητη «προκειμένου να προβλεφθεί πόσο από το νερό στην ατμόσφαιρα βρίσκεται σε υγρή μορφή και πόσο σε στερεή. Αυτό είναι σημαντικό για τις προβλέψεις της κλιματικής αλλαγής».
ΒΗΜΑ SCIENCEΌπως σχολιάζει στο Γαλλικό Πρακτορείο η Δρ Μολινέρο, η απόλυτη θερμοκρασία που έδωσε η μελέτη είναι απαραίτητη «προκειμένου να προβλεφθεί πόσο από το νερό στην ατμόσφαιρα βρίσκεται σε υγρή μορφή και πόσο σε στερεή. Αυτό είναι σημαντικό για τις προβλέψεις της κλιματικής αλλαγής».
