Το νερό – η πιο κοινή ουσία στον πλανήτη μας – κρύβει εδώ και δεκαετίες ένα επιστημονικό αίνιγμα. Γιατί παρουσιάζει τη μέγιστη πυκνότητά του στους 4°C; Πώς συνδέεται με την ύπαρξη της ζωής στη Γη; Ερωτήματα που κάθε μαθητής συναντά στα σχολικά βιβλία, χωρίς όμως να υπάρχει μέχρι τώρα μια πλήρης επιστημονική απάντηση.
Αυτό άλλαξε πρόσφατα. Μια διεθνής ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον καθηγητή Kyung Hwan Kim του Τμήματος Χημείας του POSTECH και σε συνεργασία με τον καθηγητή Anders Nilsson του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης, δημοσίευσε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό “Science” τα αποτελέσματα μιας πρωτοποριακής έρευνας.
Δύο μορφές νερού σε υγρή κατάσταση
Το κλειδί για την κατανόηση της συμπεριφοράς του νερού βρίσκεται σε μια θεωρία που κυκλοφορούσε εδώ και χρόνια στην επιστημονική κοινότητα: την ύπαρξη ενός κρίσιμου σημείου υγρού-υγρού (Liquid-Liquid Critical Point – LLCP). Σύμφωνα με αυτή, το νερό μπορεί να υπάρξει σε δύο διακριτές υγρές μορφές, οι οποίες υπό συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης γίνονται αδιάκριτες.
Η επαλήθευση αυτής της θεωρίας, ωστόσο, αποδείχθηκε εξαιρετικά δύσκολη. Το LLCP αναμενόταν να εντοπιστεί σε ένα εύρος θερμοκρασιών μεταξύ -40°C και -70°C – μια περιοχή που οι επιστήμονες αποκαλούσαν «νεκρή ζώνη» (no-man’s-land). Σε αυτές τις συνθήκες, το νερό παγώνει τόσο ακαριαία που καμία συμβατική μέθοδος μέτρησης δεν μπορούσε να καταγράψει τι συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο.
Το «φως των ονείρων» που έλυσε το αίνιγμα
Η λύση ήρθε από την αξιοποίηση ενός εξαιρετικά προηγμένου επιστημονικού εργαλείου: του λέιζερ ελευθέρων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (X-ray Free Electron Laser – XFEL), το οποίο παράγει παλμούς ακτίνων Χ υπερυψηλής έντασης. Η ευαισθησία του είναι τέτοια που μπορεί να καταγράψει μοριακές αλλαγές σε χρόνο εκατομμυριοστών του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στις εγκαταστάσεις PAL-XFEL του Εργαστηρίου Επιταχυντή Pohang στη Νότια Κορέα.
Η επιστημονική πορεία ήταν μακρά και μεθοδική. Το 2017, η ομάδα κατάφερε για πρώτη φορά να μελετήσει υγρό νερό σε θερμοκρασία έως -45°C χωρίς αυτό να παγώσει. Τρία χρόνια αργότερα, το 2020, βελτίωσε την τεχνική της χρησιμοποιώντας άμορφο πάγο, καταφέρνοντας να «κατεβεί» έως τους -70°C και να δει για πρώτη φορά ενδείξεις διπλής υγρής κατάστασης.
Η ιστορική παρατήρηση στους -60°C
Στην τελευταία, ιστορική εργασία τους, οι ερευνητές κατάφεραν να παρατηρήσουν άμεσα το κρίσιμο σημείο υγρού-υγρού σε θερμοκρασία περίπου -60°C. Στο σημείο αυτό, οι δύο ξεχωριστές υγρές μορφές του νερού «συγχωνεύονται» σε ένα ενιαίο υπερκρίσιμο υγρό. Η παρατήρηση αυτή επιβεβαιώνει πειραματικά αυτό που μέχρι τώρα ήταν μόνο θεωρητική πρόβλεψη, αποκαλύπτοντας ταυτόχρονα τη ρίζα των παράξενων ιδιοτήτων του νερού.
«Η έντονη αντιπαράθεση στην επιστημονική κοινότητα που κράτησε για χρόνια σχετικά με τις ασυνήθιστες ιδιότητες του νερού και το κρίσιμο σημείο υγρού-υγρού, έφτασε επιτέλους στο τέλος της. Αυτή η ανακάλυψη θα χρησιμεύσει ως αφετηρία για την κατανόηση του ρόλου που παίζει το νερό στα ζωντανά συστήματα», επισημαίνει ο Καθηγητής Kyung Hwan Kim.
Γιατί είναι σημαντικό για εμάς
Πέρα από το ακαδημαϊκό ενδιαφέρον, τα αποτελέσματα αυτά έχουν βαθιές επιπτώσεις. Η κατανόηση της μοριακής συμπεριφοράς του νερού μπορεί να ανοίξει νέες προοπτικές στη βιολογία, τη φαρμακευτική, τη μετεωρολογία και τη μελέτη της εξέλιξης της ζωής στη Γη αλλά και σε άλλους πλανήτες. Αλλάζει, επίσης, τον τρόπο που το νερό πρέπει να διδάσκεται στα σχολεία – κάτι που για δεκαετίες βασιζόταν σε ελλιπή κατανόηση της φύσης του.
Για μια ουσία που καλύπτει το 71% της επιφάνειας της Γης και αποτελεί περίπου το 60% του ανθρώπινου σώματος, το να μαθαίνουμε ακόμα θεμελιώδη μυστικά της είναι υπενθύμιση ότι η επιστήμη δεν σταματά ποτέ να ανακαλύπτει.
