Vedci objavili skrytý stav vody. Môže vysvetliť, prečo je pre život taká výnimočná

Okolo nás neustále prúdi jedna z najzákladnejších látok potrebných pre všetok život – voda. Paradoxne však táto všadeprítomná tekutina vykazuje správanie, ktoré sa radikálne odlišuje od iných kvapalín. Čo stojí za tým, že kocky ľadu si udržiavajú polohu na hladine? Z akého dôvodu dochádza k expanzii vodných molekúl pri poklese teploty pod hranicu 4°C? Týmito záhadami sa zaoberajú vedci už po celé storočia.

Vedci zo Štokholmskej univerzity sa pozreli na vodu spôsobom, ktorý doteraz nebol možný. Pomocou extrémne rýchlych röntgenových laserov zachytili stav, o ktorom sa roky len diskutovalo. Ide o takzvaný kritický bod v podchladenej vode. Inak povedané, ide o moment, v ktorom sa voda správa úplne inak než zvyčajne a prestáva sa „rozhodovať“, akú podobu má mať. Práve ten môže vysvetliť, prečo sa voda správa tak zvláštne a prečo je pre život taká výnimočná.

Odoberaj Vosveteit.sk cez Telegram a prihlás sa k odberu správ

Vedci sa dostali k bodu, o ktorom sa roky len diskutovalo

Výskumný tím experimentálne naznačil existenciu kritického bodu v superchladenej vode za podmienok približne -63°C a tlaku okolo 1000 atmosfér. To sú extrémne podmienky, ktoré sa bežne na Zemi nevyskytujú, no podľa vedcov práve tento jav môže mať vplyv na správanie vody aj v normálnom prostredí. Inými slovami, to, čo sa deje v extréme, môže vysvetľovať to, čo vidíš každý deň.

„Realizovali sme niečo mimoriadne špecifické – naša röntgenová analýza prebehla s neskutočnou rýchlosťou ešte predtým, ako nastalo zamrznutie, čo nám umožnilo sledovať, ako kvapalný prechod mizne a formuje sa nový kritický stav.“ uviedol Anders Nilsson, profesor chemickej fyziky na Štokholmskej univerzite.

V tomto bode sa voda správa zvláštne a to, akoby nevedela, v akom stave má byť. Vedci hovoria, že existujú dve rôzne „verzie“ kvapalnej vody, ktoré sa za normálnych okolností líšia. Jedna je „hustejšia“, druhá má voľnejšie usporiadané molekuly. Tu sa však medzi nimi prestáva robiť rozdiel a voda medzi nimi rýchlo prepína. Práve toto neustále „prepínanie“ môže ovplyvňovať jej správanie aj pri bežných teplotách. Tieto poznatky boli publikované v renomovanom vedeckom časopise Science.

Prečo sa voda správa úplne inak než ostatné kvapaliny

Kým väčšina materiálov reaguje na znižovanie teploty kontrakciou a zvyšovaním hustoty, voda sa riadi vlastnými zákonmi. Logicky by sme predpokladali maximálnu hustotu v okamihu zamrznutia, skutočnosť však hovorí opak, ľad pláva a kvapalná voda dosahuje najvyššiu hustotu práve pri 4°C. To je dôvod, prečo napríklad jazerá zamŕzajú od vrchu a nie od dna.

Neprehliadni

Tieto nové funkcie v Samsung telefónoch ti pomôžu ochrániť súkromie. Cudzí človek vedľa teba už len tak neuvidí, čo robíš na mobile

Proces ďalšieho chladenia pod túto hranicu spúšťa opätovnú expanziu. Pokračovanie v ochladzovaní čistej vody pod nulový bod vedie k neustálemu rozširovaniu, ktoré sa dokonca zrýchľuje s klesajúcou teplotou. Súbežne sa aj ďalšie vlastnosti, ako stlačiteľnosť či tepelná kapacita, začínajú správať čoraz neobvyklejšie.

Vedci použili röntgenové lasery, ktoré dokážu zachytiť vodu ešte pred zamrznutím

Odhalenie tohto záhadného javu umožnili extrémne rýchle röntgenové impulzy produkované vysokovýkonnými laserovými systémami v Južnej Kórei. Tieto impulzy poskytli vedcom možnosť sledovať vodu v superchladenom stave v kritických momentoch tesne pred jej premenou na ľad. Bežne totiž voda zamrzne skôr, než ju stihneš detailne preskúmať.

„Naplnil sa náš najväčší sen – dosiahnuť merania vody pri extrémne nízkych teplotách bez jej zamrznutia. Mnohí vedci túžili po identifikácii tohto kritického bodu, no technické možnosti na to dlhodobo chýbali.“ Iason Andronis, doktorand chemickej fyziky na Štokholmskej univerzite.

Voda má dva „stavy“ a práve tu sa medzi nimi stráca rozdiel

Za špecifických podmienok nízkych teplôt a vysokého tlaku môže voda existovať v dvoch odlišných kvapalných formách, ktoré sa líšia spôsobom, akým sú molekuly navzájom usporiadané. Jednoducho povedané, rovnaká voda môže mať dve rôzne „vnútorné štruktúry“.

Pri zmene podmienok sa tieto dve formy zjednocujú do jedného stavu v oblasti kritického bodu. Okolie tohto bodu charakterizuje vysoká nestabilita systému, kde voda rýchlo prechádza medzi rôznymi stavmi alebo ich kombináciami. Tieto fluktuačné procesy sa môžu prejavovať v širokom rozsahu teplôt a tlakov a podľa vedcov môžu ovplyvňovať správanie vody aj v bežnom prostredí.

„Situácia pripomína stav, z ktorého sa zdá byť únik z kritického bodu takmer nemožný po vstupe doň, akoby išlo o gravitačnú pascu.“ uviedol Robin Tyburski, výskumník chemickej fyziky na Štokholmskej univerzite.

Môže toto správanie vody súvisieť so vznikom života

Medzi najzaujímavejšie aspekty tohto objavu patrí jeho možná súvislosť so vznikom života. Vedci však upozorňujú, že nejde o klasický superkritický stav vody známy z extrémnych teplôt a tlakov, ale o správanie súvisiace s kritickým bodom v podchladenom režime.

Inými slovami, nejde o to, že by voda bola v bežných podmienkach „extrémna“, ale skôr o to, že jej vnútorné správanie môže byť ovplyvnené javmi, ktoré sa dejú v týchto extrémnych stavoch.

„Je mimoriadne zaujímavé, že voda má také jedinečné vlastnosti práve v podmienkach, kde existuje život. Je to náhoda, alebo sa tu skrýva hlbší mechanizmus, ktorý ešte len musíme pochopiť?“ pýta sa Fivos Perakis, docent chemickej fyziky na Štokholmskej univerzite.

Práve tieto zvláštne vlastnosti vody, napríklad schopnosť stabilizovať teplotu alebo vytvárať prostredie pre chemické reakcie, sú kľúčové pre fungovanie živých organizmov.

Storočná vedecká otázka stále nie je úplne uzavretá

Vedci sa už viac než sto rokov snažia pochopiť, prečo sa voda správa tak zvláštne. Tento výskum ich posúva bližšie k odpovedi, no stále nejde o definitívne vysvetlenie. Skôr o ďalší diel skladačky, ktorý začína dávať väčší zmysel.

„Výskumníci študujúci fyziku vody sa teraz môžu viac prikloniť k modelu, ktorý predpokladá existenciu kritického bodu v podchladenom režime. Ďalším krokom je pochopiť dôsledky týchto zistení pre fyzikálne, chemické aj biologické procesy.“ uzatvára Anders Nilsson.