Água: Encontrar o normal dentro do lugar estranho


Água: Encontrar o normal dentro do lugar estranho


Pela primeira vez, os pesquisadores medem propriedades da água em temperaturas profundamente super-resfriadas





A água tem muitas propriedades incomuns, como a sua forma sólida, o gelo, sendo capaz de flutuar em água líquida, e ficam mais estranhos abaixo de seu ponto de congelamento. Supercooled água - abaixo de congelamento, mas ainda um líquido - é notoriamente difícil de estudar. Alguns pesquisadores acreditavam que a água super-resfriada se comportava estranhamente dentro de um intervalo particularmente frio, saindo de um líquido para um sólido, cristalizando instantaneamente a uma temperatura particular como algo de um romance de Kurt Vonnegut. RICHLAND, Wash.

Agora, os pesquisadores descobriram uma maneira de tirar fotos de congelamento de água dentro dessa profundamente ultra-resfriado gama. E adivinha? A água não é tão estranha como poderia ser. Água líquida pode existir todo o caminho para baixo, cristalizando em um sólido mais lentamente como as coisas ficam mais frias - como esperado, mas nunca de uma só vez.

A equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional do Pacífico Noroeste do Departamento de Energia informou ontem o trabalho nesta semana da Proceedings of the National Academy of Sciences. Embora os resultados não mude a forma como você faz seu chá gelado no verão, isso pode ajudar os teóricos a compreender melhor a água e ajudar os cientistas atmosféricos a entender melhor a chuva e as nuvens.

O truque de água estranho

A maioria das pessoas sabe que o gelo flutua na água líquida, mas eles podem não estar cientes de que a água tem dificuldade em formar um vidro. Um vidro - como uma janela - é um sólido no qual as moléculas são realmente dispostas como estariam em um líquido.

Pegue um monte de laranjas. Laranjas embrulhadas frouxamente em um saco são como um líquido - as moléculas individuais podem se mover bastante livremente. Se você embalar as laranjas ordenadamente em uma caixa, você forma um cristal. Se você apertar o saco e parar as laranjas misturadas de se movimentar, mas sem organizá-los ordenadamente, você forma um copo.

Os óculos são ótimos porque podem conter contaminantes - acho que uma mosca em âmbar, ou resíduos nucleares em vidro vitrificado - enquanto cristais expulsar contaminantes - congelamento da água do mar é uma maneira de dessalinizá-lo. Para fazer um vidro, os pesquisadores derretem areia ou outro componente até que ele é líquido. E então eles esfriam tão rápido que não pode formar um cristal antes de solidificar.

Mas congelar água em massa rápido e não forma um copo. Ele rapidamente se torna gelo. Para tornar-se vidro, água líquida deve ser resfriada a uma temperatura profundamente subzero dentro de microssegundos - cerca de 136 Kelvin (cerca de 215 graus F), uma temperatura comum no espaço, onde alguns esperam a existência de água vítrea.

A gama que tem sido difícil de estudar é ligeiramente acima da temperatura de transição vítrea. Os cientistas não sabem o que está acontecendo entre cerca de 160 e 235 K. Na vida real, isso é entre a temperatura na lua de Marte, Phobos e Fairbanks, no Alasca, na profundidade do inverno. 235 K, Fairbanks), a água congela de um líquido super-resfriado a um cristal em milissegundos, o que é muito rápido para que as técnicas analíticas atuais sejam estudadas.

Os cientistas trouxeram uma variedade de idéias para explicar o que poderia estar acontecendo naquela região inexplorada. Eles se perguntaram se a água permaneceria metaestável - líquido, mas pronta para começar a cristalizar em um momento de aviso - todo o caminho até temperaturas em que se torna um vidro. Ou se o líquido se tornar instável em algum lugar mais quente do que isso, cerca de 228 K (um pouco mais quente do que o recorde de baixa na Estação McMurdo na Antártida), em que ponto seria espontaneamente cristalizar devido ao que os físicos chamam de singularidade. Além disso, algo dentro dessa faixa pode estar acontecendo que pode ajudar a explicar por que a água tem dificuldade em formar um vidro.

"Havia uma infinidade de postulados, mas uma escassez de dados", disse o físico químico PNNL Bruce Kay.

"Nosso objetivo era desenvolver uma nova técnica para aquecer rapidamente e esfriar nanoescala filmes supercooler água", disse o físico PNNL Greg Kimmel.

O mistério dentro

Kimmel e Kay trabalharam com Yuntao Xu, especialista em laser, e outros na PNNL, e desenvolveram uma maneira de aquecer e refrigerar água em intervalos de tempo de nanossegundos com um laser. Usando este método, os cientistas PNNL medido como rapidamente a água supercooled convertido em gelo cristalino como a temperatura diminuiu. O tempo de cristalização caiu de nanossegundos perto das temperaturas mais altas para horas a 126 K. Em nenhum ponto, especialmente a 228 K, a água super-resfriada encaixar em um cristal, excluindo a possibilidade de uma singularidade.

Para procurar a singularidade de outro ângulo, os pesquisadores exploraram a rapidez com que as moléculas de água superenfriada poderiam se mover, e o quanto isso mudou à medida que ficou mais frio. Se a singularidade existisse, eles esperariam que as moléculas de água fossem incapazes de se mover em algum ponto. Do ponto de congelamento até o ponto de vidro, as moléculas moviam-se mais lentamente e de forma mais lenta, de forma contínua e complexa. Em geral, a relação entre a temperatura ea velocidade com que as moléculas se moviam não sugeria uma singularidade a 228 K.

"Podemos provavelmente tirar a singularidade da mesa", disse Kay do PNNL.

Tomados em conjunto, os resultados fornecem informações valiosas sobre como a água se comporta.

"Por exemplo, na química atmosférica, as gotas de água super-resfriadas são encontradas em nuvens e há perguntas sobre quanto tempo elas persistem", disse Kimmel, da PNNL.

Este trabalho foi realizado em EMSL, o Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, um Escritório do DOE de Facilidade de Usuário de Ciência no PNNL. Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia Office of Science.

Fonte
Texto:Water: Finding the normal within the weird
Nota: O conteúdo editado e traduzido para estilo e tamanho.