Süper Soğutulmuş Suyun Kararlı Bir Sıvı Olduğunu Bilim İnsanları İlk Kez Gösterdi
Fotoğraf : Bilim insanları, darbeli lazer ısıtma ve kızılötesi spektroskopi kullanarak aşırı soğutulmuş suyun yapısındaki tersine çevrilebilir değişiklikleri ilk kez yakaladılar (Timothy Holland, Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı).
Süper soğutulmuş su gerçekte bir arada iki sıvıdır. ABD Enerji Bakanlığı’nın Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı’ndaki bir araştırma ekibinin, sıvı suyun tipik donma noktasından çok daha soğuk sıcaklıklarda ilk ölçümlerini yaptıktan sonra ulaştığı sonuç bu.
Bugün Science dergisinde yayınlanan bulgu, uzayda ve Dünya’nın kendi atmosferinin en uzak noktalarında bulunan aşırı soğuk sıcaklıklarda suyun sergilediği tuhaf davranışların bazılarını açıklamak için uzun süredir aranan deneysel veriler sağlıyor. Şimdiye kadar, mümkün olan en aşırı sıcaklıklardaki sıvı su, birbirlerine rakip teorilerin ve varsayımların konusu olmuştur. Bazı bilim adamları, suyun -117.7 F (190 K) kadar düşük sıcaklıklarda gerçekten bir sıvı olarak var olup olmadığını ya da tuhaf davranışın, bir katıya giden kaçınılmaz yolda yeniden düzenlenen su olup olmadığını sordular.
Tartışma önemlidir çünkü Dünya yüzeyinin yüzde 71’ini kaplayan suyu anlamak, çevremizi, bedenlerimizi ve yaşamın kendisini nasıl düzenlediğini anlamak için çok önemlidir.
PNNL’de bir kimyasal fizikçi olan Greg Kimmel, “Aşırı soğuk sıcaklıklarda sıvı suyun sadece nispeten kararlı olmadığını, iki yapısal motif içinde var olduğunu gösterdik” dedi. “Bulgular, derin aşırı soğutulmuş suyun dengeye gelmeden önce her zaman kristalize olup olmadığı konusunda uzun süredir devam eden bir tartışmayı açıklıyor. Cevap: hayır.”
Aşırı Soğutulmuş Su: İki Sıvının Hikayesi
Şimdiye kadar suyu anladığımızı düşünürsünüz. Gezegendeki en bol ve en çok çalışılan maddelerden biridir, ancak görünüşteki basitliğine rağmen – molekül başına iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu – H2O aldatıcı bir şekilde karmaşıktır.
Suyun erime noktasının hemen altında donması şaşırtıcı derecede zordur: su, toz veya tutunacak başka bir katı gibi, başlatacak bir şeyi olmadığı sürece donmaya direnir. Saf suda, molekülleri dondurmak için gereken özel düzene sokmak enerjik bir dürtü gerektirir.
Saf su donduğunda genişler ve bu diğer sıvılara kıyasla garip bir davranış ama bu tuhaflık, dünyadaki yaşamı sürdüren şeydir. Buz küpleri batarsa veya atmosferdeki su buharı sıcaklığı korumazsa, bildiğimiz şekliyle Dünya’da yaşam olmazdı.
Suyun garip davranışı, kimya fizikçileri Bruce Kay ve Greg Kimmel’i 25 yıldan fazla bir süredir meşgul ediyor. Şimdi Bruce Kay, Greg Kimmel ve doktora sonrası bilim insanları Loni Kringle ve Wyatt Thornley, sıvı su moleküllerinin yapabileceği bükülmeler hakkındaki anlayışımızı genişletme konusunda dönüm noktası olabileceğini umdukları bir şey başardılar.
Suyun olağandışı özelliklerini açıklamak için çeşitli modeller ileri sürülmüştü. Aşırı soğutulmuş suyun bir tür durma hareketi “anlık görüntü” tekniği kullanılarak elde edilen yeni veriler, yüksek yoğunluklu, sıvı benzeri bir yapıya yoğunlaşabildiğini göstermektedir. Bu daha yüksek yoğunluklu form, su için beklenen tipik bağ ile daha uyumlu olan daha düşük yoğunluklu bir yapı ile birlikte var olur. Yüksek yoğunluklu sıvının oranı, sıcaklık -18,7 F (245 K) ile -117,7 F (190 K) arasında değiştikçe hızla azalır ve aşırı soğutulmuş su için “karışım” modellerinin tahminlerini destekler.
Kringle ve Thornley, ince bir buz tabakası lazerle vurulduğunda, birkaç nanosaniye için süper soğutulmuş bir sıvı su oluşturduğunda, bir tür durma hareketinde hapsolmuş su moleküllerini gözetlemek için kızılötesi spektroskopi kullandılar.
Deneylerin çoğunu gerçekleştiren Kringle, “Önemli bir gözlem, tüm yapısal değişikliklerin tersine çevrilebilir ve tekrarlanabilir olmasıdır” dedi.
Graupel: Bu Aşırı Soğutulmuş Su!
Bu araştırma, bazen soğuk hava fırtınalarında düşen kabarık topaklar olan graupeli açıklamaya yardımcı olabilir. Graupel, bir kar tanesi üst atmosferde aşırı soğutulmuş sıvı suyla etkileşime girdiğinde oluşur.
PNNL laboratuvarında görevli ve su fiziği uzmanı Kay, “Üst atmosferdeki sıvı su derinlemesine soğutulur” diyor. “Bir kar tanesi ile karşılaştığında hızla donar ve sonra doğru koşullarda Dünya’ya düşer. Çoğu insanın aşırı soğutulmuş suyun etkilerini deneyimleyeceği tek zaman gerçekten budur.”
Bu çalışmalar, güneş sistemimizde ve ötesinde çok soğuk gezegenlerde (Jüpiter, Satürn, Uranüs ve Neptün) sıvı suyun nasıl var olabileceğini anlamaya da yardımcı olabilir. Aşırı soğutulmuş su buharı ayrıca kuyruklu yıldızların arkasından giden güzel kuyrukları oluşturur.
Su Molekülü Jimnastiği
Burada Dünya’da, bir proteine sıkıştırılmış tek bir su molekülü gibi, suyun sıkı bir duruma yerleştirildiğinde gerçekleştirebileceği bükülmelerin daha iyi anlaşılması, bilim insanlarının yeni ilaçlar tasarlamasına yardımcı olabilir.
Kringle, “Tek tek proteinleri çevreleyen su molekülleri için çok fazla alan yok” dedi. “Bu araştırma, sıvı suyun sıkışık ortamlarda nasıl davrandığına ışık tutabilir.”
Thornley, “Gelecekteki çalışmalarda, bu yeni tekniği geniş bir kimyasal reaksiyon yelpazesinin altında yatan moleküler yeniden düzenlemeleri takip etmek için kullanabiliriz.” dedi.
Hala öğrenilecek çok şey var ve bu ölçümler, Dünya’daki en bol hayat veren sıvının daha iyi anlaşılmasına yardımcı olacak.
Kaynak : sciencedaily.com
