O stare ascunsă a apei ar putea explica de ce există viața: oamenii de știință descoperă un „punct critic” în apa suprarăcită

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă internațională de cercetători a anunțat descoperirea unui punct critic ascuns în apa suprarăcită care ar putea oferi o explicație pentru comportamentul neobișnuit al apei și, în final, pentru rolul său esențial în sprijinirea vieții. Experimentul, realizat cu ajutorul unor lasere cu raze X ultrarapide, a permis observarea apei înainte ca aceasta să cristalizeze, relevând o tranziție critică între două forme lichide distincte și fluctuații puternice care influențează proprietățile apei chiar și la temperaturi obișnuite.

Descoperirea punctului critic în apa suprarăcită

Cercetătorii de la Stockholm University, în colaborare cu POSTECH University și instalația PAL-XFEL din Coreea de Sud, alături de alte instituții internaționale, au identificat un punct critic care apare atunci când apa este adusă într-o stare profund suprarăcită. Acest punct critic se manifestă la aproximativ -63 °C și la o presiune în jurul a 1000 atmosfere. La această condiție specifică, două faze lichide diferite, caracterizate prin structuri moleculare distincte de legare, se contopesc într-o singură fază iar sistemul devine extrem de instabil.

Rezultatele au fost publicate în revista Science și marchează o descoperire așteptată de decenii, oferind dovezi experimentale directe pentru existența unei stări despre care teoriile anterioare sugerau că ar putea explica proprietățile anormale ale apei.

De ce apa se comportă diferit față de alte lichide

Apa prezintă proprietăți contrare celor observate în majoritatea substanțelor. În mod obișnuit, răcirea conduce la contractare și creșterea densității; pe baza acestei reguli, apa ar trebui să fie cea mai densă în momentul solidificării. Cu toate acestea, gheața plutește, iar apa lichidă atinge densitatea maximă la 4 °C, motiv pentru care apa mai rece rămâne dedesubtul celei mai calde în lacuri și în oceane.

Când apa este răcită sub 4 °C, începe din nou să se dilate. Dacă apa pură este răcită sub 0 °C, unde cristilizarea se produce lent, această dilatare continuă și se accelerează pe măsură ce temperatura scade. Alte proprietăți, precum comprimabilitatea și capacitatea calorică, se comportă, de asemenea, din ce în ce mai neobișnuit pe măsură ce temperatura scade. Descoperirea punctului critic din regiunea suprarăcită pune aceste fenomene într-un cadru coerent: fluctuațiile intense generate în jurul punctului critic se pot extinde pe un interval larg de temperaturi și presiuni, afectând astfel proprietăți ale apei chiar la condiții zilnice.

Observații realizate cu lasere cu raze X ultrarapide

Pentru a surprinde starea lichidă ascunsă înainte ca apa să se transforme în gheață, echipa a folosit impulsuri extrem de scurte de raze X produse de lasere puternice din Coreea de Sud. Această tehnică a permis măsurători la o scară de timp atât de rapidă încât cristalele de gheață nu aveau timp să se formeze complet, oferind astfel o fereastră unică asupra comportamentului lichidului în regiunea critică.

„Ceea ce a fost special este faptul că am putut iradia cu raze X într-un interval inimaginabil de scurt înainte ca gheața să înghețe și am putut observa cum tranziția lichid-lichid dispare și apare o nouă stare critică,” a declarat Anders Nilsson, profesor de fizică chimică la Department of Physics al Stockholm University. Această capacitate de a «îngheța timpul» prin măsurători ultrarapide a fost esențială pentru a pune în evidență punctul critic prezis de teorie.

Imagini ale unei tranziții invizibile până acum

Observațiile experimentale indică faptul că, sub temperaturi joase și presiuni ridicate, apa poate exista în două faze lichide diferite care coabitează: una cu o rețea de legături moleculare mai deschisă și alta cu o structură mai compactă. Pe măsură ce condițiile variază, aceste două „moduri” lichide se pot amesteca sau pot oscila rapid între ele, iar punctul critic marchează tranziția în care ele devin identice.

Două forme lichide și fluctuațiile care determină proprietățile apei

Apropierea de punctul critic determină instabilitate și fluctuații rapide între cele două stări lichide. Aceste fluctuații se pot propaga pe o gamă largă de temperaturi și presiuni, explicând astfel comportamentele neobișnuite ale apei, inclusiv variațiile de densitate, capacitate termică și comprimabilitate. Cercetătorii susțin că, dincolo de punctul critic, apa intră într-o stare supracritică, iar la condiții de mediu curente apa se află deja în acea regiune supracritică.

„Există un punct critic în regimul suprarăcit al apei,” a explicat Anders Nilsson. „Această descoperire permite comunității științifice să adopte un model comun privind originea proprietăților neobișnuite ale apei. Următorul pas este să identificăm implicațiile acestor rezultate asupra proceselor fizice, chimice, biologice, geologice și climatice în care apa joacă un rol.”

Efectul „asemănător unei găuri negre” în dinamica moleculară

Cercetătorii au observat, de asemenea, o încetinire dramatică a mișcării moleculare pe măsură ce apa se apropie de punctul critic. Robin Tyburski, cercetător în fizică chimică la Stockholm University, a comparat această încetinire cu imposibilitatea de a scăpa dintr-un punct critic: „Arată aproape că nu poți scăpa de punctul critic dacă ai intrat în el, aproape ca o gaură neagră,” a spus Tyburski, metaforă menită să ilustreze intensitatea efectelor asupra dinamicii moleculare.

Încetinirea mișcării la nivel molecular are consecințe asupra modului în care energia și fluctuațiile termice se disipează în lichid, iar înțelegerea acestei dinamici este esențială pentru a lega observațiile microscopice de comportamente macroscopice, precum modul în care apa transportă căldura sau cum reacționează sub presiuni variabile.

Un progres construit pe zeci de ani de cercetare

Descoperirea este rezultatul unor eforturi îndelungate și își trage rădăcinile din studiile asupra formelor de gheață amorfă, considerate de mult timp o cheie pentru înțelegerea regiunii critice. „Este uimitor cum gheațele amorfe, o stare atât de intens studiată a apei, au devenit intrarea noastră în regiunea critică. Este o mare inspirație pentru studiile viitoare și o reamintire a posibilității de a face descoperiri în domenii intens studiate cum este apa,” a remarcat Aigerim Karina, cercetător postdoctoral în fizică chimică la Stockholm University.

Iason Andronis, doctorand în fizică chimică la aceeași instituție, a subliniat dificultatea tehnică depășită: „A fost un vis devenit realitate să putem măsura apa la asemenea condiții de temperatură scăzută fără să înghețe. Mulți au visat să găsească acest punct critic, dar mijloacele nu au fost disponibile până la dezvoltarea laserelelor cu raze X.”

Fivos Perakis, lector universitar asociat în fizică chimică la Stockholm University, a ridicat o întrebare cu rezonanță mai largă: „Este foarte interesant că apa este singurul lichid supracritc la condiții ambientale unde există viață și, de asemenea, știm că nu există viață fără apă. Este aceasta o simplă coincidență sau există o cunoaștere esențială pe care o vom descoperi în viitor?”

Colaborare internațională și perspective viitoare

Studiul a fost realizat în colaborare între Stockholm University, POSTECH University și PAL-XFEL din Coreea de Sud, Max Planck Society, Johannes Gutenberg University din Germania și St. Francis Xavier University din Canada. Contribuitorii menționați în material includ Aigerim Karina, Robin Tyburski, Iason Andronis, Fivos Perakis și foști membri ai grupului de fizică chimică de la Stockholm University.

Autorii studiului publicat în Science includ, printre alții, Seonju You, Marjorie Ladd-Parada, Kyeongmin Nam, Aigerim Karina, Seoyoung Lee, Myeongsik Shin, Cheolhee Yang, Yeseul Han, Sangmin Jeong, Kichan Park, Kyeongwon Kim, Minjeong Ki, Robin Tyburski, Iason Andronis, Keely Ralf, Jae Hyuk Lee, Intae Eom, Minseok Kim, Rory Ma, Dogeun Jang, Fivos Perakis, Peter H. Poole, Katrin Amann-Winkel, Kyung Hwan Kim și Anders Nilsson. Referința jurnalului este: Seonju You et al., „Experimental evidence of a liquid-liquid critical point in supercooled water,” Science, 2026; 391 (6792): 1387, DOI: 10.1126/science.aec0018.

Următoarea etapă indicată de autorii studiului este explorarea implicațiilor acestor rezultate asupra multiplelor domenii în care apa are un rol fundamental: procese fizice, chimice, biologice, geologice și cele legate de climă. Identificarea modului în care punctul critic influențează fenomene macroscopice reprezintă o provocare majoră pentru anii următori.

Materialul informativ despre această descoperire a fost pus la dispoziție de Stockholm University, iar comunicarea rezultatelor prin intermediul revistei Science aduce în prim-plan importanța tehnologiilor experimentale avansate în rezolvarea unor probleme științifice persistente.

Pentru detalii suplimentare, textul original informativ poate fi consultat la ScienceDaily — Stockholm University.