Extreem koud water onder hoge druk heeft last van keuzestress. En dat is de reden waarom water zich zo vreemd gedraagt, is nu ontdekt.

Water is eigenlijk een ontzettend vreemde stof. Waar elke andere vloeistof krimpt bij het vast worden, zet water juist uit bij het bevriezen. Denk maar aan een kapotgevroren waterleiding. En een ijsberg blijft gewoon drijven op vloeibaar water, terwijl elke andere stof bij het vast worden juist een hogere dichtheid krijgt.

Waarom gedraagt water zich zo gek? Dat komt mogelijk door een kritisch punt dat optreedt bij -63 graden Celsius en een druk duizendmaal zo hoog als de atmosfeer, zo publiceerden onderzoekers van Stockholm University in Science.

Lees ook:

• Afvalwater in de landbouw: waar komen medicijnresten terecht in de plant?
• James Webb ontdekt belangrijk koolstofmolecuul

Twee toestanden

Natuurkundige Anders Nilsson en collega’s vuurden ultrakorte röntgenlaserpulsen af op water onder hoge druk terwijl het afkoelde. Dat leverde interessante plaatjes op van het bevriezingsproces.

Op een temperatuur van -63 graden Celsius bleek het water zich ineens in twee toestanden tegelijk te bevinden. De eerste is een vloeistof waarbij de moleculen dicht op elkaars lip zitten (hoge dichtheid). Bij de andere hebben ze juist meer ruimte (lage dichtheid).

Hoezo tegelijkertijd? Nou, de fasen gingen voortdurend in elkaar over. De watermoleculen waren als het ware flink aan het twijfelen. Moesten ze nou elkaar opzoeken of uit elkaar gaan?

Keuzestress

Hoewel dit dus allemaal gebeurt op -63 graden Celsius en bij een druk van 1000 atmosfeer, heeft dit kritische punt óók invloed op hoe water zich bij normale omgevingstemperaturen gedraagt. Dat komt doordat de onrust van de keuzestress doorwerkt, geven de onderzoekers aan.

Hoe kan dat? Stel je voor dat het kritische punt een enorme magneet is die diep in de kelder van een flatgebouw ligt (-63 graden Celsius). Hoewel jij op de derde verdieping woont (20 graden Celsius), merk je nog steeds dat je metalen bestek een beetje naar de vloer wordt getrokken.

Dit fenomeen verklaart dus die vreemde eigenschappen van water. Dus het uitzetten bij bevriezing en ijs dat lichter is dan vloeibaar water.

Als een zwart gat

Maar dat is niet alles. Nilsson en zijn team ontdekten nog iets merkwaardigs. Naarmate watermoleculen dichter bij de – 63 graden Celsius komen, beginnen ze in slow motion te bewegen. Ze lijken geleidelijk aan verstrikt te raken in de twijfeltoestand.

“Het lijkt haast alsof je niet kan ontsnappen aan het kritische punt zodra je er bijna bent, net als een zwart gat”, zegt Robin Tyburski, een van de onderzoekers.

Broncode

Nu de reden of ‘broncode’ van het bijzondere gedrag van water is gevonden, doemt alweer de volgende vraag op. Is het slechts toeval dat water – dat essentieel is voor al het leven op aarde – de enige stof is met zo’n kritisch twijfelpunt? Of zit er meer achter?

“Al ruim een eeuw lang wordt erop los gediscussieerd over de vreemde eigenschappen van water”, vertelt Nilsson. “Nu weten we over dit kritische punt in supergekoelde staat. De volgende stap is uitvinden wat dit betekent voor de manier waarop de fysica, chemie, biologie en geologie werken. Een enorme uitdaging voor de komende jaren.”

Bronnen: Science via EurekAlert!, Stockholm University via EurekAlert!

Beeld: POSTECH University, South Korea