Bilim insanları, aşırı basınç ve düşük sıcaklık altında suyun iki farklı sıvı fazına ayrılabildiğini keşfetti. Yıllardır teorik olarak öne sürülen bu durum, ileri moleküler simülasyonlar sayesinde kanıtlandı.
Doğadaki en sıra dışı maddelerden biri olan su, normal koşullarda katı, sıvı ve gaz halinde bulunabiliyor. Örneğin, bir gölde yüzen buz, sıvı su ve üzerindeki bulutlar halindeki su buharı, suyun üç halinin aynı anda var olabileceğini gösteriyor. Ayrıca suyun katı halinin (buz) sıvı halinden daha az yoğun olması, buzun yüzmesini sağlıyor.
Suyun bir diğer kayda değer farkı, çoğu maddeden farklı olarak katı halinde değil, sıvı halinde en yüksek yoğunluğa sahip olması ve bunun buzun su üzerinde yüzmesine neden olması. Bu ve benzeri sıra dışı özellikler, suyun davranışını anlamak için onlarca yıldır süren araştırmalara ön ayak oldu. Özellikle, aşırı soğutulmuş durumda suyun sıvı-sıvı faz geçişi (LLPT) yaşadığı ve iki farklı sıvı fazda bulunabileceği hipotezi, 1992 yılında ilk kez önerildi.
Ancak, suyun bu koşullarda hızla kristalleşerek buza dönüşmesi, deneysel gözlemleri zorlaştırdı ve araştırmacıları bilgisayar simülasyonlarına yönlendirdi. Bu yeni çalışmada, derin sinir ağı (DNN@MB-pol) kullanılarak mikro saniyelik moleküler dinamik simülasyonlar gerçekleştirildi ve suyun düşük sıcaklık ve yüksek basınç altında iki farklı sıvı durumda bulunabileceğine dair doğrudan kanıtlar elde edildi.
Kaliforniya Üniversitesi San Diego’daki araştırmacılar, suyun şaşırtıcı bir başka özelliğini keşfetti. Aşırı basınç ve düşük sıcaklıklarda sıvı su, biri diğerinden daha yoğun olan iki farklı sıvı fazına ayrılabiliyor. Nature Physics dergisinde yayımlanan bu çalışma, suyun karmaşık davranışlarına dair yeni içgörüler sunuyor.
Araştırmacılar, suyun yaklaşık -85°C (188 K) sıcaklıkta ve 101,3 MPa basınçta yüksek yoğunluklu ve düşük yoğunluklu sıvı durumları arasında geçiş yaptığını gözlemledi. Bu bulgular, suyun iki farklı sıvı formu arasında birinci dereceden faz geçişinin varlığını doğruluyor. Modelin sistematik sapmaları dikkate alındığında, suyun gerçek kritik noktasının yaklaşık 198 K (-75°C) ve 126,7 MPa basınçta olduğu tahmin ediliyor.
Kimya ve biyokimya profesörü Francesco Paesani liderliğindeki ekip, kimya, fizik ve bilgisayar bilimlerini birleştirerek gelişmiş moleküler modeller oluşturdu. Hesaplamalı algoritmaları kullanan ekip, deneysel gözlemleri simüle edebilen modeller geliştirdi. “Modelimiz o kadar gerçekçi ki neredeyse içebilirsiniz,” diyen Paesani, geliştirdikleri MB-pol adlı modelin suyun tüm faz diyagramını doğru bir şekilde simüle edebildiğini belirtiyor.
Kuantum seviyesinde su
Paesani, geliştirdikleri MB-pol modelini şu şekilde açıklıyor: “Bir odada tek başına bulunan bir kişi belirli bir şekilde davranır. Başka biri odaya girdiğinde, ilk kişinin davranışı değişir. Üçüncü bir kişi eklendiğinde dinamikler tekrar değişir. Bu süreç, odaya giren kişi sayısı arttıkça devam eder. Ancak belli bir noktadan sonra yeni gelen bir kişi, odadaki genel davranışı belirgin şekilde değiştirmez.”
MB-pol modeli de benzer bir prensiple çalışıyor. Kısa menzilde, kuantum mekaniksel etkiler su moleküllerinin davranışını doğrudan etkiliyor. Ancak belirli bir noktada bu etkiler tüm sistem üzerinde ortalama haline geliyor.
Kuantum mekaniksel simülasyonlar son derece maliyetli ve genellikle sadece birkaç su molekülünün enerjisini hesaplamak mümkün olabiliyor. Ancak Paesani’nin ekibi, MB-pol ve makine öğrenimi yöntemlerini birleştirerek birkaç mikrosaniyeye kadar süren simülasyonlar gerçekleştirebildi.
Gelecekte sentezlenmiş sıvılar mümkün mü?
Paesani, bu keşfin gelecekte günlük sıcaklık ve basınç koşullarında benzer sıvı-sıvı geçişleri yapabilen sentetik sıvılar üretmek için ilham verebileceğini öne sürüyor. Düşük yoğunluktan yüksek yoğunluğa geçiş yapabilen gözenekli sıvılar, süngerler gibi davranarak kirleticileri yakalamakta veya suyun tuzdan arındırılmasında kullanılabilir.
Bu keşif, simülasyonlarla güçlü bir şekilde desteklense de laboratuvar ortamında henüz doğrudan gözlemlenemedi. Ancak nano damlacık teknolojisi, yüzey gerilimi sayesinde küçük su damlacıklarının yüksek iç basınç oluşturmasını sağlayarak bu fenomenin deneysel olarak kanıtlanmasını mümkün kılabilir.
Kaynak: SciTechDaily
