O echipă de fizicieni şi chimişti din Suedia a descoperit o nouă stare a apei, care explică de ce ea se dilată când îngheaţă şi de ce gheaţa pluteşte

Apa e unul din cei mai răspândiţi şi esenţiali compuşi chimici din lumea noastră, dar în acelaşi timp proprietăţile ei fizice sunt înţesate de paradoxuri ce sunt contrare altor lichide, cum ar fi faptul că apa se dilată când îngheaţă sau faptul că gheaţa pluteşte. Aceste fenomene au fost studiate mult până acum şi explicau parţial de ce aceste fenomene au loc, în forma lor vizibilă pentru urmărire, dar nu explicau foarte profund cum, sau mecanismele la nivel molecular decât prin presupuneri. Ei bine, acum o echipă de fizicieni şi chimişti de la Universitatea Stockholm din Suedia a descoperit cu ajutorul laserelor cu raze X o nouă stare a apei, sub forma unui punct critic, care explică experimental şi unifică foarte multe din presupunerile teoretice de până acum.

Comportamentul normal al lichidelor, şi altor materii în general, e ca acestea să se contracte în volum pe măsură ce temperatura lor scade şi ajung la îngheţ, crescându-şi densitatea şi reducând volumul. La apă, totul e invers, volumul apei crescând cu circa 9% când aceasta îngheaţă, iar densitatea reducându-se. Asta explică de ce gheaţa pluteşte deasupra lacurilor, ca efect, dar nu şi de ce exact se întâmplă asta. La fel, ştim că din cauza acestei caracteristici a apei ţevile cu apă îngheţată vor crăpa sub presiunea extinderii, ştim că apa nu poare fi comprimată în volum prin aplicarea presiunii asupra ei — motiv din care motoarele cu ardere internă au şoc hidraulic când apa ajunge în cilindri — şi mai ştim că apa are şi calităţi de purtător termic foarte bun. Totul e şi mai greu de explicat prin teorii din cauza faptului că, de fapt, apa îşi creşte densitatea şi-şi reduce volumul iniţial la răcire, ajungând la densitatea a maximă pe la 4 grade Celsius. Apoi, de la 4 grade în jos, procesul de expansiune începe deja, încă înainte de a ajunge la formarea cristalelor de gheaţă care-i determină creşterea de volum. Această zonă, cuprinsă de la 4 la 0 grade Celsius e cea mai bizară şi mai puţin cunoscută, de fapt.

Studiile de până acum vedeau apa la aceste temperaturi având molecule ce păreau să-şi alterneze structura de la configuraţii ordinate în stilul celor de gheaţă la cele mai haotice şi mai comprimate. Aceleaşi molecule trec rapid de la o stare la alta, în intervale de picosecunde, iar fizicienii se întrebau dacă apa e, de fapt, un lichid omogen care se supune unui singur model, sau un lichid care are două stări simultan, cu două modele care „luptă” între ele.

Teoriile de până acum estimau că a doua presupunere e cea veridică, estimând că apa are există simultan ca un lichid de densitate înaltă şi ca unul de densitate joasă şi preziceau că apa trebuie să aibă un punct critic suplimentar, mai jos de zero grade, care ar fi demonstrat experimental această teorie. Doar că studierea acestui punct critic era imposibilă din cauza vitezei enorme cu care îngheaţă apa, ceea ce face ca efectiv moleculele ei să se cristalizeze în formă de gheaţă înainte de a-i putea observa un punct critic teoretic.

Tocmai aici au intervenit tehnologiile noi, folosite de echipa din Suedia, care a aplicat lasere cu raze X, laserele fiind elaborare de universitatea Postech din Coreea de Sud. Aceste lasere şi frecvenţa lor de undă folosită au permit efectiv „vederea” stării apei în acea mică fracţiune de timp când ea e super răcită, dar n-a reuşit să îngheţe. Apa se cristalizează în microsecunde când îngheaţă, de aceeaşi metodele tradiţionale de vizualizare nu funcţionează pentru că nu sunt suficient de rapide pentru a capta acel moment.

Laserele cu raze X pot da pulsuri scurte de nivelul femtosecundelor, care permit încadrarea în acea fracţiune de timp când au loc acele modificări cu apa super răcită, pentru a observa direct e se întâmplă cu ea la nivel molecular. Şi echipa a răcit apa până la mai jos de -60 de grade Celsius, pentru aceste experimente.

Aici am putea să ne întrebăm cum a fost răcită apa până la -60 grade şi mai jos fără a îngheţa în parcursul ei către această temperatură. Iar metoda folosită e una cunoscută de mai demult printre oamenii de ştiinţă, şi anume injectarea unui jet ultra subţire în vacuum. Atunci când apa ajunge în vacuum, ea ajunge efectiv într-un mediu unde presiunea scade brusc faţă de mediul ei anterior, iar la reducerea bruscă a presiunii se produce o pierdere bruscă a căldurii, în mod similar cu fenomenele din aparatele de aer condiţionat. Cu cât mai subţire şi precis e jetul cu atât mai drastică e căderea de temperatură şi se poate ajunge la temperaturi cuprinse între -40 şi -60 grade Celsius. Iar experimentul suedez a trebuit să combine precizie injectării de apă în vacuum cu razele X pentru „radiografierea” a ceea ce se întâmplă cu apa care ajunge super răcită şi porneşte spre calea de îngheţare.

Mai mult ca atât, până la -60 grade Celsius echipa n-a putut observa starea dorită, aşa că au folosit un sistem de injectare a apei în vacuum care menţinea apa iniţial al 1.000 atmosfere presiune, ceea ce făcea ca diferenţa de presiune pe care o suport apa de la trecerea dintr-un mediu în alta să fie uriaşă, degajarea de căldură să devină mai mare, iar astfel să se poată merge şi sub -60 grade Celsius.

Iar astfel, echipa suedeză a descoperit acum pentru prima dată experimental că la -63 grade Celsius apa are într-adevăr al doilea punct critic, care era doar intuit teoretic până acum. Iar de aici curiozităţile doar cresc şi mai mult. Conform noii descoperiri, la -63 grade Celsius, în punctul critic, are loc cel mai interesant fenomen între cele două stări concomitente ale apei — cea cu molecule de densitate înaltă (numite şi HDL, pe care ni le putem imagina ca un lichid dens), pe de o parte, şi alta cu molecule cu densitate redusă (numite şi LDL, pe care ni le putem imagina sub forma unor forme cristalizate, în stilul fulgilor sau gheţii), pe de altă parte. La -63 grade cele două stări au fluctuaţia maximă, devenind aproape imposibil de distins. Astfel, tot ce e mai sus de -63 grade Celsius reprezintă de fapt o stare supercritică a apei, inclusiv apa la temperatură normală ambientală.

Însă de la -63 în sus, până la +4 grade Celsius, mişcarea termică e în creştere progresivă, iar starea HDL e încă foarte greu de format, astfel încât starea LDL domină imediat ce se urcă mai sus de -63 grade Celsius. Deci, în acel punct critic, cele două stări sunt într-o mişcare atât de intensă, încât par omogene, nemaiputând fi distinse. Ca să înţelegem mai bine, mai jos de -63 grade cele două stări s-ar separa fizic una de cealaltă, în două straturi de apă cu densitate diferită, în care moleculele LDL ar fi deasupra, iar cele HDL ar fi dedesubt dacă le-am vedea într-o eprubetă, cam cum se vede uleiul când e în acelaşi vas cu apa. La -63 grade cele două lichide sunt omogenizate şi luptă intens între ele, iar mai sus de -63 acelaşi lichid ia două stări simultan care luptă între ele. Vizual ele nu mai sunt separate în două straturi, dar la nivel molecular moleculele LDL vor să le determine pe celelalte să treacă la lichid comprimat, în cele HDL vor să le determine pe celelalte să treacă la structuri cristaline, de tipul gheţii. Şi aceleaşi molecule, de fapt, trec continuu prin ambele stă, doar că raportul de dominaţie se schimbă pe măsură ce apa urcă în temperatură.

Cu cât apa urcă în temperatură de la -63 spre 4 grade Celsius, cu atât dominaţia LDL începe să se reducă şi HDL începe a câştiga tot mai mult teren. La 0 grade cele două stări se apropie de un echilibru, dar LDL sunt încă învingătoare, motiv din care pot învinge HDL şi pot determinarea îngheţarea apei. De fapt, în condiţii normare gheaţa ar reprezenta învingerea formei HDL.

Către +4 grade Celsius, efectul de dilatare a structurilor LDL începe a scădea progresiv, iar HDL are o influenţă tot mai dominantă, atingându-se volumul minim şi densitatea maximă la 4 grade Celsius. Cu cât apa urcă mai sus la temperatura camerei, cu atât LDL devine dominant, iar HDL, deşi e prezent, nu mai are un efect de comprimare mai departe a volumului. Dimpotrivă, din acest punct în sus, mişcările normale, tipice lichidelor, sunt determinate de comportamentul LDL, când la temperaturi mai mari creşte uşor distanţa dintre molecule.

Această luptă constantă între cele două stări ale apei e păstrată până la punctul de fierbere, chiar dacă influenţa LDL e mică la temperaturi mai mari. Dar existenţa acestei stări duble explică de ce apa e un purtător termic atât de bun şi de ce are şi calităţi haotice la încercarea de a fi comprimată.

Descoperirea de acum poate părea complexă, şi poate prea detaliată, dar de fapt, e unul din acele momente din ştiinţă când lucrurile demult intuite au devenit demonstrate ştiinţific şi captate, iar de aici încolo aceste cunoştinţe noi permit şi explorare mai profundă şi progrese în multiple domenii de termodinamică, fizică sau procese absolut practice şi uzuale ce implică apa lichidă, gheaţa sau aburii, de la degivrarea avioanelor pe aeroporturi până la centrale de desalinizare a apei. Chiar şi curenţii oceanici ar putea fi prezişi mai bine, pentru previziuni meteo şi climaterice, pentru că acum, efectiv, există un singur model ştiinţific care explică ce se întâmplă molecular cu apa pe întreg diapazonul de variaţie a factorilor ei. De asemenea, sistemele de aer condiţionat, pompe de căldură, de încălzire centralizată — pot deveni mai eficiente datorită acestor noi descoperiri. Chiar şi electroliţii bateriilor, inclusiv pentru maşini electrice, pot să-ţi îmbunătăţească performanţa datorită înţelegerii mai bune a caracteristicilor. Fireşte, multe din aceste beneficii vor fi graduale, poate un pic mai lente, dar descoperirea e cu siguranţă una din momentele „evrica” din domeniul ştiinţei.