Jedna z najzwyklejszych substancji skrywa wielką tajemnicę

Pod Hamburgiem działa jedna z najbardziej zaawansowanych instalacji badawczych na świecie. W Europejskim Laserze Rentgenowskim XFEL elektrony pędzą niemal z prędkością światła przez system magnesów, generując niezwykle intensywne impulsy promieniowania rentgenowskiego. Urządzenie służyło już do obserwacji reakcji chemicznych i badania budowy wirusów. Teraz pomaga rozwiązać zagadkę zamarzania cieczy.

Choć proces wydaje się prosty, fizycy od dziesięcioleci mają problem z jego opisaniem. Teorie przewidujące tempo powstawania kryształów lodu często dramatycznie rozmijają się z wynikami eksperymentów. W niektórych przypadkach różnice sięgają nawet 20 rzędów wielkości, co oznacza, że model może przewidywać wynik bilion bilionów razy większy lub mniejszy od rzeczywistego. Niewielkie błędy w założeniach mogą prowadzić do ogromnych różnic w końcowych wynikach.

Dlaczego zamarzanie wody jest tak trudne do opisania?

Stawką nie jest wyłącznie zaspokojenie naukowej ciekawości. Lepsze zrozumienie procesu zamarzania pomogłoby dokładniej opisywać powstawanie lodu w chmurach, a to z kolei przełożyłoby się na bardziej precyzyjne modele klimatyczne. Wiedza ta może być również przydatna przy badaniu wnętrza Ziemi oraz historii formowania się innych planet.

W teorii niewielka zmiana parametrów może prowadzić do ogromnej zmiany tempa zamarzania. Jak wyjaśnia w rozmowie z magazynem „Nature” fizyk Robert Grisenti z Centrum Badań Jonów Ciężkich Helmholtza w Darmstadt, kropla czystej wody schłodzona do minus 20 stopni Celsjusza mogłaby nie zamarznąć nawet przez miliardy lat. Wystarczy jednak obniżyć temperaturę o kolejne 15 stopni, aby proces zakończył się w ułamku sekundy.

Ta niezwykła wrażliwość sprawia, że bardzo trudno uzyskać powtarzalne wyniki eksperymentów. Naukowcy analizujący te same zjawiska często otrzymują diametralnie różne rezultaty, mimo że pracują na tej samej substancji.

Jonas Sellberg z Królewskiego Instytutu Technologicznego KTH w Sztokholmie przeanalizował wyniki badań prowadzonych przez kilka dekad. Okazało się, że zmierzone tempo zamarzania wody potrafiło różnić się między eksperymentami nawet o 20 do 25 rzędów wielkości. Co więcej, duże rozbieżności pojawiały się także w badaniach próbujących odtworzyć niemal identyczne warunki laboratoryjne.

To pokazuje, jak niewiele potrzeba, aby zmienić przebieg procesu. Sposób przygotowania próbki, obecność mikroskopijnych zanieczyszczeń czy drobne różnice temperatur mogą całkowicie zmienić wynik doświadczenia.

Lasery rentgenowskie zaglądają w pierwsze mikrosekundy

Aby uprościć problem, badacze postanowili skupić się nie na wodzie, lecz na prostszych cieczach. Jednym z takich modeli są skroplone gazy szlachetne, takie jak krypton i argon. Ich cząsteczki oddziałują ze sobą w znacznie prostszy sposób niż cząsteczki wody połączone wiązaniami wodorowymi.

Zespół Roberta Grisentiego wykorzystał XFEL do obserwacji cienkich strumieni ciekłego kryptonu i argonu wyrzucanych do próżni. Podczas lotu ciecz szybko się ochładzała wskutek parowania. W tym samym czasie naukowcy oświetlali ją impulsami rentgenowskimi i analizowali powstające obrazy dyfrakcyjne.

Dzięki temu po raz pierwszy udało się zobaczyć najwcześniejsze etapy formowania kryształów. Badacze obserwowali, jak w ciągu zaledwie kilku mikrosekund i na odcinku liczącym kilkaset mikrometrów ciecz zaczyna przechodzić w stan uporządkowany. To pierwszy tak szczegółowy wgląd w moment, który wcześniej pozostawał praktycznie poza zasięgiem eksperymentów.

Coraz więcej wskazuje na to, że pierwsze etapy zamarzania nie przebiegają tak uporządkowanie, jak zakładały klasyczne modele. Zanim powstanie stabilny kryształ, w cieczy mogą pojawiać się krótkotrwałe lokalne struktury o częściowym uporządkowaniu. Nie wszystkie przekształcają się w kryształy lodu, ale mogą wpływać na to, kiedy i jak rozpocznie się krystalizacja. To właśnie badanie takich przejściowych struktur jest jednym z głównych celów nowych eksperymentów prowadzonych z wykorzystaniem laserów rentgenowskich.

Nowe pomiary nie rozwiązały jeszcze całej zagadki. Teoretyczne przewidywania nadal różnią się od wyników eksperymentów nawet tysiąckrotnie. W porównaniu z wcześniejszymi próbami oznacza to jednak poprawę o około dwa rzędy wielkości. Naukowcy po raz pierwszy zaczynają więc realnie zbliżać teorię do obserwacji.

Coraz więcej wskazuje też na to, że w procesie zamarzania większą rolę odgrywa nieuporządkowanie i przypadek, niż zakładano przez dziesięciolecia. To właśnie w tych pierwszych milionowych częściach sekundy może kryć się odpowiedź na pytanie, jak powstaje lód.