Apa, atat de obisnuita si atat de esentiala pentru viata, actioneaza in moduri care ii nedumereste foarte mult pe oamenii de stiinta. De exemplu, de ce gheata este mai putin densa decat apa lichida, plutind mai degraba decat sa se scufunde asa cum fac alte lichide atunci cand ingheata?

Recent, un nou studiu ofera dovezi puternice asupra teoriei controversate care spune ca la temperaturi foarte reci apa poate exista in doua forme lichide distincte, una fiind mai putin densa si mai structurata decat cealalta.

Cercetatorii de la Universitatea Princeton si Universitatea Sapienza din Roma au realizat simulari pe calculator ale moleculelor de apa prin care au descoperit punctul critic in care o faza lichida se transforma in cealalta faza. Studiul a fost publicat saptamana aceasta in revista Science.

„Prezenta punctului critic ofera o explicatie foarte simpla despre ciudateniile apei”, a declarat decanul pentru cercetari de la Princeton, Pablo Debenedetti, profesor inca din 1950 pe inginerie si stiinte aplicate si profesor de inginerie chimica si biologica. „Constatarea punctului critic echivaleaza cu gasirea unei explicatii simple si bune pentru multe lucruri care fac ca apa sa fie ciudata, in special la temperaturi scazute.”

apa, apa lichida

Printre ciudateniile apei se numara faptul ca, pe masura ce apa se raceste, se extinde si nu se contracta, motiv pentru care apa inghetata este mai putin densa decat apa lichida. De asemenea, apa devine mai maleabila – sau comprimabila – la temperaturi mai scazute. Exista, de asemenea, cel putin 17 moduri in care moleculele sale se pot aranja atunci cand sunt inghetate.

Un punct critic este valoarea unica a temperaturii si presiunii la care doua faze ale materiei devin imperceptibile si apare chiar inainte de transformarea materiei dintr-o faza in cealalta.

„Ciudateniile apei se explica cu usurinta prin prezenta unui punct critic”, a spus Debenedetti. Prezenta unui punct critic este resimtita asupra proprietatilor substantei destul de departe de punctul critic in sine. In punctul critic, compresibilitatea si alte masuri termodinamice ale comportamentului moleculelor, cum ar fi capacitatea de caldura, sunt infinite.

apa, apa lichida

Folosind doua simulari distincte ale apei (panourile de sus si de jos), cercetatorii au detectat modificari ale densitatii caracteristice apei racite puternic care oscileaza intre doua faze lichide diferind prin densitate. Fig B (dreapta): Simularile au scos la iveala un punct critic intre cele doua faze lichide, care au densitati diferite, datorita prezentei unei molecule in plus de apa in lichidul cu densitate ridicata.

In aceste doua metode de calcul diferite, doua modele computerizate extrem de realiste ale apei, echipa a identificat punctul critic al fazelor lichid-lichid ca fiind situat intr-un interval de aproximativ 190 pana la 170 de grade Kelvin (aproximativ -117 grade pana la -153 grade Fahrenheit) de aproximativ 2.000 de ori presiunea atmosferica de la nivelul marii.

Detectarea punctului critic este un pas satisfacator pentru cercetatorii implicati in incercarea de zeci de ani de a determina explicatia fizica ce sta la baza proprietatilor neobisnuite ale apei. Cu cateva decenii in urma, fizicienii au afirmat ca racirea apei la temperaturi sub punctul sau de inghetare, in timp ce o mentineau in stare lichida – o stare „super-racita” care apare in norii de la mare altitudine – ar expune cele doua forme unice ale apei la presiuni suficient de mari.

Pentru a testa teoria, cercetatorii au apelat la simulari pe computer. Experimentele cu molecule de apa din viata reala nu au furnizat pana in prezent dovezi fara ambiguitate ale unui punct critic, in parte datorita tendintei ca apa super-racita sa inghete rapid.

apa, apa lichida

Francesco Sciortino, profesor de fizica la Universitatea Sapienza din Roma, a realizat unul dintre primele astfel de studii de modelare, in timp ce era cercetator postdoctoral in 1992. Acest studiu, publicat in revista Nature, a fost primul care a sugerat existenta unui punct critic intre cele doua forme lichide.

Noua constatare este extrem de satisfacatoare pentru Sciortino, care este si co-autor al noului studiu in Science, prin care a folosit calculatoare de cercetare mult mai rapide si mai puternice, si modele ale apei mai noi si mai precise. Chiar si cu computerele puternice de cercetare din zilele noastre, simularile au durat aproximativ 1,5 ani de calcul.

„Va puteti imagina ce bucurie am avut cand am inceput sa vedem fluctuatiile critice comportandu-se exact asa cum trebuiau”, a spus Sciortino. „Acum pot dormi bine, pentru ca dupa 25 de ani, ideea mea initiala a fost confirmata.”

In cazul celor doua forme lichide de apa, cele doua faze coexista intr-un echilibru instabil la temperaturi sub inghet si la presiuni suficient de ridicate. Pe masura ce temperatura scade, cele doua faze lichide se lupta pana cand una dintre ele castiga si intregul lichid capata densitate scazuta.

apa, apa lichida

In simularile efectuate de cercetatorul postdoctoral Gül Zerze la Princeton si Sciortino din Roma, intrucat au scazut temperatura cu mult sub inghet in stare super-racita, densitatea apei a fluctuat extrem de instabil, asa cum s-a prevazut.

Unele dintre comportamentele ciudate ale apei se afla probabil in spatele a ceea ce confera apei proprietatile datatoare de viata, a spus Zerze. „Lichidul vietii este apa, dar inca nu stim exact de ce apa nu poate fi inlocuita cu un alt lichid. Credem ca motivul are legatura cu comportamentul anormal al apei. Alte lichide nu arata aceste comportamente, deci trebuie sa fie legate de apa ca lichid al vietii.”

Cele doua faze ale apei apar deoarece forma moleculei de apa poate duce la doua moduri de impachetare. In lichidul cu densitate mai mica, patru molecule se grupeaza in jurul unei a cincea molecule in forma geometrica numita tetraedru. In lichidul cu densitate mai mare, o a sasea molecula se strecoara, ceea ce are ca efect cresterea densitatii locale.

Echipa a detectat punctul critic in doua modele diferite de apa. Pentru fiecare model, cercetatorii au supus moleculele de apa la doua abordari de calcul diferite pentru a cauta punctul critic. Ambele abordari au dus la gasirea unui punct critic.

Peter Poole, profesor de fizica la Universitatea St. Francisc Xavier din Canada si student in absolvire atunci cand a colaborat cu Sciortino si a fost coautorul lucrarii din Nature in 1992, a declarat ca rezultatul a fost satisfacator. „Este foarte reconfortant cu acest nou rezultat”, a spus el. „Din 1992 tot asteptam cam singuri ca sa vedem un alt caz fara ambiguitate al unei tranzitii a fazei lichid-lichid intr-un model de apa realist.”

C. Austen Angell, profesor regent la Universitatea de Stat din Arizona, este unul dintre pionierii experimentelor din anii ’70 asupra naturii apei super-racite. „Fara indoiala ca am facut un efort eroic in simularea fizicii apei, cu o concluzie foarte interesanta si binevenita”, a spus Angell intr-un e-mail, care nu a fost implicat in studiul de fata. „In calitate de experimentist cu acces la masuratori fizice de echilibru (pe termen lung) ale apei reale, m-am simtit intotdeauna ‘sigur’ asupra preemptiunii simulatoarelor pe computer. Dar datele prezentate in noua lucrare arata ca acest lucru nu mai este valabil.”

Studiul „Al doilea punct critic in doua modele realiste de apa”, de Pablo G. Debenedetti, Francesco Sciortino si Gül Zerze, a fost publicat in numarul 17 din iulie al revistei Science.

Simularile au fost realizate la Princeton Research Computing, un consortiu de grupuri, inclusiv Institutul Princeton pentru Stiinta si Inginerie Computerizata (PICSciE) si la Centrul Oficiului Tehnologiei Informatiei si Calcul de Inalta Performanta si Laborator de Vizualizare de la Universitatea Princeton, si pe resurse de calcul gestionate si sustinute de sectia de fizica a Universitatii Sapienza Roma.

Recent Posts

Leave a Comment

Tinem legatura?

Daca doriti sa ma contactati, imi puteti trimite un mail folosind formularul de contact de mai jos.

Not readable? Change text. captcha txt
astronomie, jupiter, gigant gazosstiinta, memorie colectiva, rupert sheldrake