Vloeibaar water kent een fase-overgang bij 80 graden onder nul. Tot voor kort alleen in theorie maar nu ook in de praktijk, meldt UvA-hoogleraar Sander Woutersen in Science.

Op de preprintserver arXiv.org verscheen al eerder een ruwe versie van het manuscript.

Waarbij zijn grootste prestatie uiteraard is dat hij dat water bij -80 °C überhaupt vloeibaar wist te houden. Kristallisatie heeft een kiem nodig en als je zeer zuiver water uiterst zorgvuldig afkoelt kun je de start van het proces een tijdlang uitstellen, maar beneden de -40 °C wordt de vloeistof simpelweg té instabiel.

Toen theoretici in 1992 voorspelden dat water bij zeer lage temperatuur een kritisch punt vertoont, en dat beneden dat punt twee verschillende vloeistoffasen bestaan met verschillende dichtheden, afhankelijk van de druk, kon dus niemand dat verifiëren.

Woutersen en promovendus Michiel Hilbers hebben het water nu vermengd met een soort ‘antivries’ dat kristallisatie voorkomt maar de watermoleculen nog wel ruimte genoeg geeft om de waterstofbruggen te vormen, die uiteindelijk verantwoordelijk zijn voor het gedrag in de vloeistoffase. De sterkte van die waterstofbruggen beïnvloedt de trillingsfrequenties van de O-H bindingen in het water, en die kun je weer volgen met infraroodspectrometrie.

De aanpak staat of valt met het juiste antivries. De eerste keuze, glycerol, bleek bij lage temperaturen te ontmengen. Maar met hydrazinium trifluoracetaat (N₂H₅TFA), een ionische vloeistof, bleek het wél te lukken. Het idee om deze stof te gebruiken werd aangedragen door Austen Angell, een hoogleraar aan Arizona State University die toevallig op bezoek was in Amsterdam. N₂H₅⁺ en TFA^- vormen onderling ook waterstofbruggen, en dat netwerk blijkt zo sterk te lijken op dat van water dat het ‘waternetwerk’ er niet merkbaar door wordt beïnvloed.

Met andere woorden: als het goed is blijft het water zich gedragen als water, alleen kristalliseert het niet.

En inderdaad: bij langzame afkoeling van een mengsel dat voor ruim tweederde uit watermoleculen bestaat en voor de rest uit N₂H₅TFA, zie je bij ongeveer -80 °C het infrarood-absorptiespectrum sterk veranderen. Bij opwarming verandert het terug, en volgens de onderzoekers is dat een sterke aanwijzing dat het water niet bevriest maar overgaat in een andere vloeibare fase.

Woutersen benadrukt overigens dat het formeel nog geen bewijs is. ‘Let wel: dit is water met een flinke scheut antivries erin. Weliswaar antivries die de structuur minimaal verstoort, maar toch’, stelt hij in een persbericht.

bron: UvA, Science