Två olika former av vatten upptäckta

Forskare vid Stockholms universitet har med hjälp av röntgenstudier funnit att två olika former av vatten med stor skillnad i struktur och täthet kan existera under samma yttre förutsättningar. Resultaten publiceras nu i den amerikanska vetenskapliga tidskriften PNAS.

När vatten fryser till is sker det som regel ganska långsamt, och vattenmolekylerna hinner ordna sig i kristallina strukturer under nedkylningen. Väte- och syreatomerna som bildar vattenmolekyler hakar i varandra i regelbundna mönster, och resultatet blir till exempel snöflingor, eller den is som bildas i frysen hemma. Skulle vattnet däremot frysas mycket snabbt, till exempel exponeras för den extrema kylan i rymden, bildas amorf is, där kristallina strukturer inte hunnit uppstå. Den mesta isen i universum är amorf. Det som är känt sedan tidigare är att två olika former av amorf is kan bildas beroende på tryck och temperatur där tätheten skiljer på nästan 25 %.

Nu har forskare vid Stockholms universitet upptäckt att flytande vatten existerar som påminner om de amorfa isarna. Det innebär att vatten, trots samma omgivande temperatur, kan ha olika densitet och molekylstruktur. Man kan rentav prata om vatten som två olika vätskor.

- Det speciella är att vi har lyckats röntga vatten med så hög upplösning att man kan bestämma de relativa positionerna hos molekylerna vid olika tidsögonblick, och därigenom också följa vattnets transformation från ena formen till den andra, säger Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet.

Genom att laborera med tryck och temperatur – försöken sker ofta vid ca minus 140 grader Celsius – kan forskarna få vattenmolekylerna att ordna sig mellan de två olika vätskorna.

- Vanligt vatten som kommer ur kranen består av fluktuationer mellan två olika strukturella former av vattenmolekyler. Det unika är att vi har kunnat vid dessa låga temperaturer renodla dessa former som två olika makroskopiska vätskor, säger Anders Nilsson.

Resultaten kommer skapa större förståelse för vatten vid olika temperaturer och tryck, men också hur vatten påverkas av joner och biomolekyler vilket är av betydelse för livets förutsättningar. Dessutom kan ökande kunskap leda till nya insikter runt hur vi skall rena och avsalta vatten i framtiden, något som klimatförändringarna gör till en av de stora utmaningarna för mänskligheten i framtiden.

Studien har gjorts i samarbete med KTH, DESY i Hamburg, University of Innsbruck och Argonne National Laboratory i USA. I studien medverkade också Fivos Perakis, Katrin Amann-Winkel, Harshad Pathak, Alexander Späh, Filippo Cavalca , Daniel Schlesinger och Lars Pettersson ifrån Stockholms universitet.

Vidare läsning:
Det nyligen publicerade arbetet av Fivos Peraki and Katrin Amann-Winkel et al. kan läsas här: http://www.pnas.org/content/early/2017/06/23/1705303114

För ytterligare information:
Professor Anders Nilsson, 073-9946230 (+1 650 8687558 efter 22/6), andersn@fysik.su.se