Tutkijat jäädyttävät vettä lämmön avulla

Kuvittele, että vesi jäätyy jähmettyneeksi, vaikka se kuumenee. Tällaisiin omituisiin temppuihin tiedemiehet ovat nyt havainneet veden kykenevän.

Suositun uskomuksen mukaan vesi jäätyy 32 Fahrenheit-asteessa (0 celsiusastetta). Yllättäen, jos vesi makaa sileässä pullossa ja siinä ei ole pölyä, se voi pysyä nestemäisenä jopa miinus 40 celsiusasteeseen asti niin sanotussa ”alijäähtyneessä” muodossa. Pöly ja karheat pinnat, joihin vesi normaalisti joutuu luonnossa kosketuksiin, voivat toimia ytiminä, joiden ympärille jääkiteet muodostuvat.

Nyt israelilaisen Rehovotissa sijaitsevan Weizmann-instituutin tutkija Igor Lubomirsky ja hänen kollegansa ovat keksineet toisenkin tavan säädellä veden jäätymispistettä – niin sanottujen kvasimorfisten pyroelektristen ohutkalvojen avulla. Nämä pinnat muuttavat sähkövaraustaan lämpötilan mukaan.

Kun pyroelektriset pinnat ovat positiivisesti varautuneita, vesi jäätyy helpommin, ja kun ne ovat negatiivisesti varautuneita, vesi jäätyy vaikeammin.

Tutkijat havaitsivat, että alijäähtynyt vesi voi jäätyä, kun sitä lämmitetään, kunhan lämpötila muuttaa myös pintavarausta. Kun esimerkiksi alijäähtynyt vesi on negatiivisesti varautuneella litiumtantaalaattipinnalla, se jäätyy jähmettymään välittömästi, kun pinta lämmitetään 17,6 asteeseen F (miinus 8 astetta C) ja sen varaus vaihtuu positiiviseksi.

Yllättävää on, että positiivisesti varautuneet pinnat innostavat alijäähtynyttä vettä jäätymään alhaalta ylöspäin, kun taas negatiivisesti varautuneet pinnat saavat sen jäätymään ylhäältä alaspäin. Tämä liittyy todennäköisesti siihen, miten vesimolekyylit suuntautuvat – vesimolekyylien negatiivisesti varautuneet happiatomit suuntautuvat luonnostaan kohti positiivisesti varautuneita pintoja, kun taas vetyatomien kohdalla on päinvastoin.

”Ero positiivisen ja negatiivisen varauksen välillä oli odottamaton”, Lubomirsky sanoo.

Kyky hallita paremmin alijäähdytetyn veden jäätymislämpötilaa voisi olla ratkaisevan tärkeää monissa sovelluksissa, kuten kylmäveristen eläinten selviytymisessä, solujen ja kudosten kryosäilytyksessä, viljelykasvien suojaamisessa jäätymiseltä ja kyvyssä ymmärtää ja laukaista pilvien muodostumista.

Tutkijat esittelivät havaintonsa yksityiskohtaisesti Science-lehden 5. helmikuuta ilmestyneessä numerossa.

• Top 10 suurinta mysteeriä tieteessä
• Jäätyykö kuuma vesi kylmää vettä nopeammin?
• Top 10 suurinta mysteeriä tieteessä