Ny kritisk punkt kan förklara vattens märkliga egenskaper

Vatten har speciella egenskaperna som bland annat är avgörande för livet på jorden, därför är det viktigt att förstå vad som avgör hur vatten beter sig. Det handlar bland annat om hur vatten övergår från is till vätska och från vätska till ånga – något som styrs av temperatur och tryck.

Sedan länge är det känt att när trycket och temperaturen ökar, når vattnet till slut en punkt då det inte längre kan koka eller förångas och därmed inte skifta mellan flytande och gasform. Detta kallas för en kritisk punkt – och bortom denna är vattnet i något som kallas ett superkritiskt tillstånd.

Den här första kritiska punkten hittades redan på 1800-talet och inträffar vid ungefär 400 grader Celsius och 200 gånger det normala atmosfärstrycket vid havsytan. 

Nu har forskare upptäckt ännu en kritisk punkt som kan förklara några av vattnets egenskaper.

Diskussionerna om ytterligare en kritisk punkt, vid låga temperaturer och högt tryck, uppstod redan i slutet av 1900-talet. 2020 visade en forskargrupp att detta är teoretiskt möjligt – men det är inte förrän nu som samma forskargrupp har kunnat ge den kritiska punkten experimentellt stöd.

Vid den andra kritiska punkten kan vattnet bestå av två olika vätskor samtidigt genom att gränsen mellan dessa suddas ut.

Vatten fryser normalt till is vid noll grader, men det finns sätt att kyla ner vatten så att det passerar nollpunkten utan att kristalliseras – vilket kallas superkylning.

– Utmaningen har varit att förändra vattnets temperatur och tryck väldigt snabbt, och undersöka det innan is hinner bildas, säger Anders Nilsson, professor vid Stockholm universitet och en av forskarna bakom studien.

För att hinna undersöka vattnet innan det fryser till is har forskargruppen använt röntgenlaser. På så sätt har de identifierat en tidigare okänd kritisk punkt vid minus 63 grader Celsius och 1 000 atmosfärers tryck.

Den nya upptäckten är bara en första ledtråd till att den kritiska punkten i vatten vid minusgrader existerar.

– Jag är ganska övertygad av resultatet, men mer experimentell forskning behövs, menar Philippe Wernet, professor i fysik vid Uppsala universitet som för omkring 20 år sedan forskade i samma grupp som Anders Nilsson.

Vatten beter sig annorlunda än andra ämnen. Exempelvis var det länge en gåta varför is flyter ovanpå vatten, till skillnad från de flesta andra ämnen som har högre densitet i fast form än i flytande. Under 1900-talet upptäckte forskare att anledningen var att vattnets densitet minskar när det kristalliseras. Det finns emellertid fortfarande många egenskaper hos vatten som ännu inte är förklarade.

Genom att förstå den kritiska punkten och hur vatten förändras vid olika förhållanden kan forskare skapa bättre modeller för hur vatten fungerar.

– Det uppstår avvikelser i vattnet vid den kritiska punkten. Då dessa avvikelser kan följa med till omkring 50 grader Celsius, innebär det att vatten vid våra temperaturer påverkas av de variationer som skapats vid den kritiska punkten, säger Anders Nilsson.

Det betyder att de variationer som skapas vid den kritiska punkten kan förklara varför vattnet beter sig annorlunda även vid rumstemperatur och vanligt atmosfärstryck.

– I århundraden har vi testat oss fram genom att ändra temperatur och tryck för att se hur det förändrar ett material. Men för att kunna karakterisera ett material vid exempelvis alla temperaturer och tryck behöver vi en välfungerande modell, säger Philippe Wernet.