Toată lumea ştie că apa îngheaţă şi se face gheaţă. Mai puţin cunoscut e că apa se poate transforma şi în „sticlă” – o stare solidă, dar fără structura ordonată a cristalelor de gheaţă. Fizicienii au reuşit acum, în premieră, să vadă cu ochii lor cum se produce această schimbare, scre Science Alert.
Deşi acoperă aproximativ 70% din suprafaţa Pământului şi reprezintă circa 60% din masa corpului nostru, apa rămâne o substanţă plină de anomalii pentru ştiinţă.
Ca un fel de doctor Jekyll şi mister Hyde în formă lichidă, apa cristalizează la temperaturi scăzute şi ia forma familiară a gheţii. Dar se poate transforma şi în „apă sticloasă”, cu o structură moleculară amorfă şi dezordonată.
Această formă ciudată a apei se găseşte în norii stratosferici din zonele polare. Tot ea ajută organismele iubitoare de frig (psihrofile) să evite deteriorarea celulară provocată de cristalele de gheaţă la temperaturi extrem de scăzute.
Şi totuşi, transformarea apei din lichid în sticlă a rămas în mare parte ascunsă tehnicilor de observaţie de până acum.
Când îngheaţă, apa formează de obicei cristale care se leagă între ele într-o structură rigidă şi ordonată. Fenomenul se produce la temperaturi de până la aproximativ -45 de grade Celsius (-49 grade Fahrenheit). Sub acest prag se întinde un vast teritoriu termic încă prea puţin înţeles, pe care oamenii de ştiinţă îl numesc „ţara nimănui”.
Se credea că trecerea apei în stare sticloasă are loc undeva în jur de -135 de grade Celsius, însă gheaţa cristalină a împiedicat mereu încercările cercetătorilor de a ajunge la acest prag.
Într-un nou studiu, oamenii de ştiinţă au rezolvat problema captând apa într-o matrice – o idee inspirată chiar din trucurile naturii – şi şi-au dat seama că transformarea sticloasă a apei le scăpase tot timpul, pierdută în neclaritatea cristalizării.
Într-un articol publicat în revista Nature Communications, fizicienii au blocat cantităţi minuscule de apă – de doar câteva molecule grosime, adică mai puţin de o miliardime de metru – între două straturi lipidice. Acestea erau făcute dintr-un tip special, „transparent”, de fitantriol, o moleculă de alcool gras care rămâne stabilă şi fluidă chiar şi la temperaturi foarte joase.
Prinsă astfel, apa a fost împiedicată să cristalizeze pe măsură ce temperatura scădea. Aşa au putut cercetătorii să urmărească trecerea ei de la lichid la sticlă cu un nivel remarcabil de detaliu.
Surprinzător, au descoperit că această transformare apare pe un interval de temperatură mult mai larg – şi mai ridicat – decât se credea până acum.
Pentru a urmări comportamentul apei la scări sub-nanometrice, o echipă de fizicieni condusă de Raffaele Mezzenga, de la ETH Zurich, în colaborare cu cercetători de la Organizaţia Australiană pentru Ştiinţă şi Tehnologie Nucleară (ANSTO), a combinat modele computerizate cu o serie de tehnici avansate de sondare atomică.
O primă metodă de observaţie a folosit linia de lumină SAXS/WAXS (împrăştiere de raze X la unghiuri mici şi mari) de la ANSTO, pentru a cartografia structura apei captate în matricea lipidică la diferite temperaturi. S-au folosit raze X extrem de intense, produse într-un sincrotron, un tip de accelerator de particule.
Echipa a mai folosit două spectrometre, numite Emu şi Pelican, de la Centrul Australian pentru Împrăştierea Neutronilor, pentru a detecta vibraţiile moleculare şi a dezvălui mişcarea atomilor de hidrogen din probă.
„Semnalul de neutroni, detectat de instrumentul nostru, este dominat de mişcările atomilor de hidrogen din apă”, explică Alice Klapproth, cercetătoare la ANSTO şi specialistă pentru spectrometrul Emu. „Asta ne permite să măsurăm selectiv dinamica apei chiar şi atunci când aceasta este închisă într-o matrice moale şi complexă”.
În total, cercetătorii au detectat o încetinire a dinamicii apei captate, petrecută pe un interval surprinzător de larg, de la -63 la -20 de grade Celsius. Au explorat această schimbare de-a lungul a şase ordine de mărime temporale, de la milionimi până la trilionimi de secundă.
Mai exact, o schimbare dramatică a dinamicii moleculare are loc în jurul valorilor de -35 până la -21°C, pe măsură ce mişcarea moleculelor de apă devine tot mai lentă. Iar trecerea propriu-zisă în stare de sticlă se produce între -74 şi -64 de grade Celsius, când apa se blochează într-o stare solidă, sticloasă şi dezordonată.
Apoi, când temperatura chiar se prăbuşeşte, apa începe să crape ca o bucată îngheţată şi extraterestră de alune caramelizate.
Dincolo de faptul că lămureşte comportamentul unei substanţe cotidiene, dar încă enigmatice, cercetarea ar putea duce şi la aplicaţii practice.
„În sens mai larg şi dincolo de aspectele pur fundamentale, descoperirile noastre au o relevanţă imediată şi mai amplă pentru toate fenomenele fizice care implică apa nanoconfinată la temperaturi criogenice, cum ar fi crioconservarea materialului biologic şi congelarea profundă a alimentelor, ca să dăm doar câteva exemple”, conchid cercetătorii.
Rămâne însă de văzut dacă asemenea aplicaţii ar putea duce la progrese în refacerea ţesuturilor conservate sau la un soi revoluţionar de îngheţată, fină şi cremoasă.
