Το διαρκές μυστήριο για το πώς παγώνει το νερό

Μαθαίνουμε στο δημοτικό σχολείο ότι το νερό παγώνει στους μηδέν βαθμούς Κελσίου, αλλά αυτό σπάνια ισχύει. Στα σύννεφα, οι επιστήμονες έχουν βρει υπερψυγμένα σταγονίδια νερού με θερμοκρασία έως και μείον 40 βαθμούς Κελσίου, ενώ σε ένα εργαστήριο το 2014, κατέψυξαν το νερό στους εντυπωσιακούς μείον 46 βαθμούς Κελσίου πριν παγώσει.

Η κατάψυξη συνήθως δεν συμβαίνει ακριβώς στους μηδέν βαθμούς για τον ίδιο λόγο που οι σωροί ξύλων στην αυλή δεν αναφλέγονται αυθόρμητα. Για να ξεκινήσει η φωτιά, χρειάζεται μια σπίθα. Και ο πάγος χρειάζεται έναν πυρήνα, έναν σπόρο πάγου γύρω από τον οποίο όλο και περισσότερα μόρια νερού οργανώνονται σε μια κρυσταλλική δομή.

Ο σχηματισμός αυτών των σπόρων ονομάζεται πυρηνοποίηση πάγου. Η πυρηνοποίηση είναι τόσο αργή για το καθαρό νερό στους μηδέν βαθμούς που θα μπορούσε κάλλιστα να μην συμβεί καθόλου. Όμως στη φύση, οι προσμίξεις παρέχουν επιφάνειες για την πυρηνοποίηση και αυτές οι προσμίξεις μπορούν να αλλάξουν δραστικά το πόσο γρήγορα και σε ποια θερμοκρασία σχηματίζεται πάγος.

Για μια διαδικασία που κάθε άλλο παρά εξωτική είναι, η πυρηνοποίηση του πάγου παραμένει εκπληκτικά μυστηριώδης. Οι χημικοί δεν μπορούν να προβλέψουν αξιόπιστα την επίδραση μιας δεδομένης πρόσμειξης ή επιφάνειας, πόσο μάλλον να σχεδιάσουν μια τέτοια ώστε να εμποδίζουν ή να προωθούν τον σχηματισμό πάγου. Αλλά προσπαθούν να λύσουν το πρόβλημα. Κατασκευάζουν υπολογιστικά μοντέλα που μπορούν να προσομοιώσουν με ακρίβεια τη συμπεριφορά του νερού και αναζητούν ενδείξεις στη φύση - οι πρωτεΐνες που παράγονται από βακτήρια και μύκητες είναι οι καλύτεροι κατασκευαστές πάγου που γνωρίζουν οι επιστήμονες.

Το ιδιαίτερο με τους μηδέν βαθμούς είναι ότι, σε αυτή τη θερμοκρασία ή και χαμηλότερα από αυτήν, το νερό έχει ενεργητικό νόημα να μετατραπεί από υγρό σε πάγο. Κάτω από αυτό το όριο, η κρυσταλλική δομή του πάγου έχει χαμηλότερη ενέργεια από τα μόρια του νερού που χτυπιούνται. Η διαδικασία της κατάψυξης του νερού απελευθερώνει στην πραγματικότητα θερμότητα, γι' αυτό και μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια υπέρυθρη κάμερα για να δείτε τον πάγο να θερμαίνεται καθώς στερεοποιείται.

Η πυρηνοποίηση του πάγου αρχίζει όταν, κατά τύχη, ένα τυχαίο κούνημα οργανώνει ένα μικρό τμήμα τριγωνικών μορίων Η2Ο σε μια εξαγωνική δομή πάγου. Αυτό το έμβρυο πάγου μπορεί να εξελιχθεί σε πυρήνα και να ξεκινήσει την κατάψυξη. Ή μπορεί απλά να διαλυθεί. Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει ένα ενεργειακό φράγμα που εμποδίζει τα έμβρυα να αναπτυχθούν. Είναι ενεργειακά δαπανηρό να σχηματιστεί μια διεπιφάνεια μεταξύ πάγου και νερού- τα μόρια που είναι διατεταγμένα σε μια δομή πάγου προσκρούουν στα μόρια του περιβάλλοντος υγρού, και οι προκύπτουσες ανισόρροπες δυνάμεις καθιστούν τη διεπιφάνεια ασταθή. Έως ότου ένας κόκκος πάγου φτάσει σε ένα ορισμένο μέγεθος, το κόστος της διεπιφάνειας υπερκαλύπτει το κέρδος της ενέργειας που απελευθερώνεται από τον πάγο που σχηματίζεται στο εσωτερικό του.

Αυτό το εμπόδιο στην πυρηνοποίηση είναι σαν να βρίσκεσαι στην κορυφή ενός θαλάσσιου γκρεμού μια ζεστή μέρα, δήλωσε ο Konrad Meister, βιοφυσικός χημικός στο Boise State University που μελετά βιολογικά αντιπαγωτικά και ουσίες που δημιουργούν πυρήνες πάγου.