Apa transformată în „sticlă exotică”: Fizicienii au surprins fenomenul rar la temperaturi joase

Cercetătorii au observat în premieră modul în care apa, în loc să se transforme în obișnuita gheață la temperaturi scăzute, capătă o structură amorfă, asemănătoare unei sticle bizare – o descoperire cu implicații uriașe pentru știință.

O descoperire ieșită din comun în „țara nimănui” a temperaturilor scăzute

Apa, care acoperă 70% din glob și alcătuiește circa 60% din masa corpului uman, ascunde încă mistere fascinante. De regulă, când temperatura scade, moleculele de apă formează cristale de gheață, dar la temperaturi sub -45 de grade Celsius se intră într-o zonă numită de cercetători „țara nimănui”, unde fenomenele devin enigmatice. Se presupunea că, undeva pe la -135 de grade Celsius, apa devine sticloasă, însă această trecere a rămas multă vreme ascunsă experimentelor, blocată de apariția rapidă a cristalelor de gheață.

Tehnici inovatoare: cum au capturat fizicienii apa între straturi lipidice

Pentru a depăși limitele impuse de cristalizare, o echipă condusă de Raffaele Mezzenga de la ETH Zurich, alături de cercetători de la Organizația Australiană pentru Știință și Tehnologie Nucleară (ANSTO), a izolat cantități infime de apă – cu grosimi de doar câteva molecule, mai puțin de o miliardime de metru – între două straturi lipidice construite dintr-un tip special de fitantriol, o moleculă de alcool gras stabilă chiar și la temperaturi polare. Această „capcană” inspirată din natură a împiedicat apa să formeze cristale, permițând studiul direct al transformării sale în sticlă.

Oamenii de știință au folosit tehnologii de vârf: fascicule intense de raze X, produse de un accelerator de particule ANSTO, pentru a cartografia structura apei la temperaturi diferite, și două spectrometre, Emu și Pelican, de la Centrul Australian pentru Împrăștierea Neutronilor, pentru a observa vibrațiile moleculelor de apă și mișcările atomilor de hidrogen. Semnalul de neutroni este dominat de mișcările atomilor de hidrogen din apă, a explicat Alice Klapproth, expertă ANSTO, subliniind că pot măsura cu precizie dinamica apei chiar și în medii complexe.

Intervalul surpriză: apa devine „sticlă” între -63 și -20 de grade Celsius

Echipa a descoperit că tranziția apei către starea sticloasă are loc într-un interval mult mai larg decât se credea: de la -63 la -20 de grade Celsius, iar dinamica moleculară încetinește drastic între -35 și -21 de grade Celsius, cu transformarea structurală statică între -74 și -64 de grade. Această încetinire a fost urmărită pe șase ordine de mărime temporale – de la milionimi la trilionimi de secundă.

Descoperirea explică, printre altele, cum norii stratosferici polari sau organismele care supraviețuiesc la frig extrem folosesc această formă de apă pentru a preveni deteriorarea celulară provocată de gheață.

Această reușită amintește de marile salturi științifice obținute atunci când cercetătorii au privit dincolo de bariere aparent de netrecut – iar lecțiile trecutului ne arată că, de fiecare dată când credem că am descifrat totul despre o substanță familiară, natura ne surprinde cu noi enigme ce așteaptă să fie explorate.