Water kan twee vloeibare fasen hebben

"Het belang van ons model is dat het inzicht geeft in de algemeen geldende natuurkundige principes die het tegennatuurlijke gedrag van voor ons belangrijke stoffen als water, silica en silicium kunnen verklaren", licht dr. Laura Filion van de Universiteit Utrecht toe. Water zet bijvoorbeeld weer uit als je het afkoelt tot onder 4 °C, terwijl ‘normale’ stoffen bij lagere temperaturen alleen maar krimpen.

Twee toestanden van vloeibaar water?

Extreem schoon water, zonder een enkel stofdeeltje, blijft bij ‘superkoelen’ zelfs tientallen graden onder nul vloeibaar. In 1992 suggereerde de Amerikaanse natuurkundige Gene Stanley dat dit supergekoelde water in twee toestanden kan voorkomen. Bij normale druk bestaat de normale, ‘lichte’ variant, maar bij een bepaalde, zeer hoge druk ontstaat een unieke ‘zware’ variant. Nog steeds vloeibaar water, alleen met een veel hogere dichtheid omdat de moleculen dichter op elkaar komen te zitten.

DNA-strengen

Tot nu toe is het echter niet gelukt deze toestanden experimenteel aan te tonen en ook theoretische modellen geven geen uitsluitsel. Laura Filion en haar collega’s uit Rome, zochten daarom naar een eenvoudig computermodel voor water dat ook experimenteel uitgevoerd kan worden. Ze lieten zich hierbij inspireren door recente experimenten met DNA-strengen.

Overgang van ‘licht’ naar ‘zwaar’ moet voorkomen

Uit hun model blijkt dat zo’n overgang van een ‘lichte’ vloeistof naar een ‘zware’ vloeistof algemeen moet voorkomen bij stoffen met de moleculaire structuur van water, als de bindingen tussen de deeltjes maar lang en flexibel genoeg zijn. Ook laat het model keurig andere ‘afwijkende’ gedragingen van water zien,  zoals de merkwaardige dichtheidsveranderingen rond het vriespunt.

Nu experimenteel onderzoek mogelijk

Bovenal interessant is dat uit het model blijkt onder welke omstandigheden de lichte en de zware variant van de vloeibare fase stabiel naast elkaar bestaan. "Hieruit blijkt dat we het gedrag van stoffen als water echt experimenteel kunnen onderzoeken met een model van bijvoorbeeld DNA-strengen", aldus Filion. "Dat opent deuren naar nieuwe kennis over dit soort voor mensen belangrijke stoffen. Bovendien levert dit inzichten die gebruikt kunnen worden voor de experimentele ontwikkeling van nieuwe materialen."

De bevindingen van de onderzoekers worden gepubliceerd in Nature Physics:  Erasing no-man’s land by thermodynamically stabilizing the liquid-liquid transition in tetrahedral particles, Frank Smallenburg, Laura Filion*), Francesco Sciortino, Nature Physics..
*) Debye Institute for Nanomaterials Science, Universiteit Utrecht

Dit onderzoek is onder meer gefinancierd door de European Research Council, het Sectorplan Natuur- en Scheikunde en een NWO-Veni.