Анджелл, профессор Регентов в Школе ASU Молекулярных Наук, потратил хорошую часть своей выдающейся карьеры, разыскивающей некоторые более любопытные физические свойства воды. В новой части исследования, просто изданного в Науке (9 марта), Анджелл и коллеги из Амстердамского университета, впервые, наблюдали одно из более интригующих свойств, предсказанных водными теоретиками – что, на достаточном переохлаждении и при особых условиях это внезапно изменится с одной жидкости до различной. Новая жидкость – неподвижная вода, но теперь это имеет более низкую плотность, и с различным расположением водорода соединил молекулы более сильным соединением, которое делает его более вязкой жидкостью.
«Это не имеет никакого отношения к ‘поливоде’», добавляет Анджелл вспоминание научного фиаско много десятилетий назад. Новое явление – жидко-жидкий переход фазы, и до сих пор оно было только замечено в компьютерных моделированиях водных моделей.Проблема с наблюдением этого явления непосредственно в реальной воде состоит в том, что, незадолго до того, как в теории говорится, что это должно произойти, реальная вода внезапно кристаллизует ко льду.
Это назвали «занавесом кристаллизации», и он поддержал прогресс понимания водной физики и воды в биологии в течение многих десятилетий.«Область между этой температурой кристаллизации и намного более низкой температурой, при которой гладкая вода (сформированный смещением молекул воды от пара) кристаллизует во время нагревания, была известна как ‘нейтральная зона’», сказал Анджелл. «Мы нашли способ потянуть в стороне ‘занавес кристаллизации’ как раз, чтобы видеть то, что происходит позади – или более правильно, ниже – он», сказал Анджелл.
Переходы фазы воды важны, чтобы понять для множества заявлений. Например, известное и разрушительное совершение вертикальных колебаний бетонных дорог и пешеходных дорожек зимой происходит из-за перехода фазы от воды до льда под бетоном. Переход фазы между жидкими состояниями, описанными в текущей работе, имеет много общего с переходом ко льду, но это происходит при намного более низкой температуре, приблизительно-90 C (-130 F), и только при переохлажденных условиях, таким образом, это, вероятно, останется главным образом научным любопытством для обозримого будущего.Анджелл объяснил, что несколько лет назад он и его научный сотрудник Цзуофэн Чжао, изучали тепловое поведение специального типа «идеального» водного раствора, который они использовали, чтобы исследовать сворачивание и разворачивание шаровидных белков.
Они хотели наблюдать способность этих решений переохладиться и затем превратиться в стекло. Ища предел гладкой области, они добавили дополнительную воду, чтобы увеличить вероятность ледяной кристаллизации и нашли, что вместо того, чтобы наконец развить тепло как кристаллизованный лед (отъезд остатка размороженное решение), как обычно находится, охлаждая соляные растворы, это на самом деле испустило тепло, чтобы сформировать новую жидкую фазу.
Новая жидкость была намного более вязкой, возможно даже гладкой. Кроме того, полностью изменяя направление изменения температуры, Анджелл и Чжао нашли, что они могли преобразовать новую фазу назад в оригинальное решение, прежде чем любой лед начнет кристаллизовать.«Это наблюдение, изданное в Angewandte Chemie, повысило большой интерес, но не было никакой структурной информации, чтобы объяснить, что происходило», сказал Анджелл. Это изменилось, когда Анджелл посетил Амстердамский университет два лета назад и встретил Сандера Уоутерсена, специалиста в инфракрасной спектроскопии, который стал очень интересующимся структурными аспектами явления.
В научной работе команда с Уоутерсеном, его студентом Михилем Ильберсом и его вычислительным коллегой Берндом Энсингом теперь показала, что у структур, вовлеченных в жидко-жидкий переход, есть те же самые спектроскопические подписи – и те же самые образцы соединения водорода – как замечены в двух известных гладких формах льда, произведенного трудоемкими альтернативными процессами (высоко – и имеющие малую плотность аморфные твердые фазы воды).«Жидко-жидкий переход, который мы нашли, как теперь замечалось, был ‘живущим аналогом’ изменения между двумя гладкими государствами чистой воды, о которой сообщили в 1994, используя чистое давление в качестве движущей силы», объяснил Анджелл.Результаты, казалось бы, «представили бы прямые свидетельства для существования жидко-жидкого перехода позади ‘занавеса кристаллизации’ в чистой воде», сказал Уоутерсен, добавив, что результаты предлагают общее объяснение термодинамических аномалий жидкой воды и проверку для «второй теории критической точки», выдвинутой группой Джина Стэнли, чтобы объяснить те аномалии.
«Это поведение почти уникально среди несметного числа известных молекулярных жидкостей», добавил Анджелл. «Только несколько других веществ, как думают, показывают его, но ни один не был доказан до настоящего времени».