In sterk onderkoeld water ordenen de moleculen zich eerst tot tetraëdertjes, voordat ze uitkristalliseren. Met een deeltjesversneller van de Stanford-universiteit is dat voor het eerst zichtbaar gemaakt, meldt Nature.

Bij ‘sterk onderkoeld’ moet je dan denken aan tientallen graden onder nul. Normaal gesproken is water dan uiteraard bevroren, maar het kan heel even vloeibaar blijven wanneer er absoluut niets is dat de kristallisatie op gang brengt. Tot je beneden de 41 graden onder nul komt: dan heeft water niet eens een kiem meer nodig om te kristalliseren.

Maar dat laatste duurt even. Bij lagere temperaturen kan nog steeds vloeibaar water bestaan. Het desbetreffende deel van het fasendiagram geniet bekendheid als ‘niemandsland’. Over wat daar gebeurt bestaan diverse theorieën: zo zou je een scheiding krijgen tussen twee vloeibare waterfasen met verschillende eigenschappen. Maar tot nu toe lukte het niemand om tijdens experimenten de kristallisatie lang genoeg uit te stellen om metingen te doen.

Bij het SLAC National Accelerator Laboratory hebben ze er nu iets op gevonden. Ze schieten waterdruppeltjes een vacuüm in, door de bundel van een femtoseconde-röntgenlaser heen. Vanwege het vacuüm verdampt een deel van het water, en de verdampingswarmte onttrekt voldoende energie aan de rest om de gewenste temperatuurverlaging te bereiken. Waarbij je de temperatuur eenvoudig kunt instellen door de afstand tussen de sproeier en de röntgenbundel te veranderen.

Aan de verstrooiing van de röntgenstralen kun je vervolgens zien of het druppeltje al was uitgekristalliseerd toen het de bundel passeerde. En zo niet, of de vloeistof volledig amorf was of dat er toch al een zekere ordening in zat.

Van sproeier tot bundel doen de druppeltjes er zo’n vijf milliseconden over. De laagste temperatuur, waarbij ze nu en dan nog lang genoeg vloeibaar blijven, bedroeg tot nu toe 46 graden onder nul. En dan zie je dus het diffractiesignaal, dat typisch is voor tetraëderstructuren, steeds sterker worden.

Het zou moeten komen door onderlinge vorming van waterstofbruggen, in combinatie met de hoek die de twee O-H-bindingen in het molecuul met elkaar maken. Theoretisch was al voorspeld dat zo’n tetraëderstructuur een voorloper van de eigenlijke kristallisatie zou kunnen zijn, dus dat klopt kennelijk.

Over die twee verschillende vloeibare fasen overigens geen woord…

bron: DOE/SLAC