27 juli 2014

Nieuw model beslecht langlopende discussie

Stoffen als water kunnen twee vloeibare fasen hebben

twee vloeibare fasen
De twee vloeibare fasen in een simulatie: rechts een vloeistof met een lage dichtheid, links een met een hoge dichtheid.

Natuurkundigen van de Universiteit Utrecht en Italiaanse collega’s hebben een model bedacht voor water en vergelijkbare moleculen, waarmee hun ‘tegennatuurlijke’ gedrag bestudeerd kan worden. Hiermee beslechten ze een langlopende discussie over de vraag of dergelijke stoffen twee vloeibare fasen kunnen hebben. Ja, die kunnen ze hebben én dat moet met een experimenteel model te bewijzen zijn. De bevindingen van de onderzoekers zijn gepubliceerd in Nature Physics van 27 juli.  

‘Het belang van ons model is dat het inzicht geeft in de algemeen geldende natuurkundige principes die het tegennatuurlijke gedrag van voor ons belangrijke stoffen als water, silica en silicium kunnen verklaren’, licht dr. Laura Filion van de Universiteit Utrecht toe. Water zet bijvoorbeeld weer uit als je het afkoelt tot onder 4°C, terwijl ‘normale’ stoffen bij lagere temperaturen alleen maar krimpen.

Twee toestanden van vloeibaar water?

Extreem schoon water, zonder een enkel stofdeeltje, blijft bij ‘superkoelen’ zelfs tientallen graden onder nul vloeibaar. In 1992 suggereerde de Amerikaanse natuurkundige Gene Stanley dat dit supergekoelde water in twee toestanden kan voorkomen. Bij normale druk bestaat de normale, ‘lichte’ variant, maar bij een bepaalde, zeer hoge druk ontstaat een unieke ‘zware’ variant. Nog steeds vloeibaar water, alleen met een veel hogere dichtheid omdat de moleculen dichter op elkaar komen te zitten.

DNA-strengen

Tot nu toe is het echter niet gelukt deze toestanden experimenteel aan te tonen en ook theoretische modellen geven geen uitsluitsel. Dr. Laura Filion van de Universiteit Utrecht en haar collega’s uit Rome, zochten daarom naar een eenvoudig computermodel voor water dat ook experimenteel uitgevoerd kan worden. Ze lieten zich hierbij inspireren door recente experimenten met DNA-strengen.

Overgang van ‘licht’ naar ‘zwaar’ moet voorkomen

Uit hun model blijkt dat zo’n overgang van een ‘lichte’ vloeistof naar een ‘zware’ vloeistof algemeen moet voorkomen bij stoffen met de moleculaire structuur van water, als de bindingen tussen de deeltjes maar lang en flexibel genoeg zijn. Ook laat het model keurig andere ‘afwijkende’ gedragingen van water zien, zoals de merkwaardige dichtheidsveranderingen rond het vriespunt.

Nu experimenteel onderzoek mogelijk

Bovenal interessant is dat uit het model blijkt onder welke omstandigheden de lichte en de zware variant van de vloeibare fase stabiel naast elkaar bestaan. ‘Hieruit blijkt dat we het gedrag van stoffen als water echt experimenteel kunnen onderzoeken met een model van bijvoorbeeld DNA-strengen’, aldus Filion. ‘Dat opent deuren naar nieuwe kennis over dit soort voor mensen belangrijke stoffen. Bovendien levert dit inzichten die gebruikt kunnen worden voor de experimentele ontwikkeling van nieuwe materialen.’

Publicatie

Erasing no-man’s land by thermodynamically stabilizing the liquid-liquid transition in tetrahedral particles
Frank Smallenburg, Laura Filion*, Francesco Sciortino
Nature Physics, 27 juli 2014, DOI 10.1038/nphys3030

* Debye Institute for Nanomaterials Science, Universiteit Utrecht

Dit onderzoek is onder meer gefinancierd door de European Research Council, het Sectorplan Natuur- en Scheikunde en een NWO Veni. 

Meer informatie

Monica van der Garde, persvoorlichter faculteit Bètawetenschappen, m.vandergarde@uu.nl, 06 13 66 14 38.