Experiment wijst op bestaan van twee soorten sterk onderkoeld water

Hoewel uit theoretisch onderzoek al 25 jaar geleden naar voren kwam dat vloeibaar water bij extreem lage temperatuur en hoge druk mogelijk twee verschijningsvormen heeft, lukte het nog nooit deze voorspelling experimenteel te bevestigen. 

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam (UvA) en de Arizona State University (ASU) brengen daar nu verandering in. In het wetenschapstijdschrift Science beschrijven ze deze week hoe ze met een slim gekozen antivriesmiddel bij ongeveer tachtig graden onder nul de overgang tussen twee verschillende vloeibare toestanden van onderkoeld water konden waarnemen.

Water gedraagt zich totaal anders dan de meeste andere vloeistoffen. Die krimpen bijvoorbeeld als je ze afkoelt, terwijl water beneden 4 graden juist uitzet. Ook voor wat betreft de soortelijke warmte en de samendrukbaarheid vertoont water bij afkoeling onverwacht gedrag. Onder de nul graden nemen de afwijkingen van het normale gedrag zelfs dramatische vormen aan.

In 1992 suggereerden theoretisch natuurkundigen van Boston University (Verenigde Staten) dat de vreemde eigenschappen van water gerelateerd zouden kunnen zijn aan het bestaan van twee verschillende toestanden (een compacte en minder compacte) van onderkoeld water bij zeer lage temperatuur en hoge druk. We weten dat er bij gewone temperaturen maar één soort water is; volgens de theorie verdwijnt het onderscheid tussen de twee soorten onderkoeld water dan ook boven een bepaalde temperatuur die ver onder de nul graden ligt. Het verdwijnen van het onderscheid tussen de twee verschillende vloeistoftoestanden boven deze temperatuur (het zogenaamd kritische punt) zou volgens de theorie de bijzondere eigenschappen van water bij hogere temperaturen verklaren.

Het zal niemand verbazen dat sommige onderzoekers twijfels hadden bij dit idee. Op school leren we immers dat stoffen in drie verschijningsvormen voorkomen: vast (moleculen gestapeld in een regelmatig patroon), vloeibaar (moleculen bewegen wanordelijk door elkaar), en gasvormig (geïsoleerde moleculen bewegen onafhankelijk van elkaar). Met het voorkomen van twee vloeibare toestanden zou water een uitzondering zijn.

De afgelopen jaren hebben computersimulaties en experimenten dit vermoeden versterkt, maar het bleef moeilijk om de twee theoretisch voorspelde vloeibare toestanden ook echt experimenteel waar te nemen. Dat lijkt op het eerste gezicht ook zo goed als onmogelijk: de voorspelde temperatuur waarbij de ene toestand verandert in de andere ligt namelijk ver onder de min 40 graden. Water zal dus altijd bevriezen (vast worden) voordat je de tweede vloeibare verschijningsvorm kunt zien.

Door een bijzonder soort antivries te gebruiken zijn de onderzoekers van UvA en ASU er nu toch in geslaagd om een toestandsverandering in vloeibaar water waar te nemen bij de extreem lage temperatuur van ongeveer 80 graden onder nul.