Mysteriet om vand - Viden (JP)

18
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 1 | 2 0 0 4
F Y S I K & K E M I
Mysteriet
om vand
Vand, damp, is og – glas!
Almindeligt H 2 O kan antage mange former
og af dem er glasformen den mest besværlige at studere.
Af Yuanzheng Yue
■ Vand udgør 70% af menneskekroppen,
fylder 71% af
jordens overfl ade, og hvert barn
kender til de tre faser af vand:
Damp, væske og is. Alligevel
kan der skrives bøger om, hvad
vi ikke ved om vand. Det enestående
simple vandmolekyle
består af blot to brintatomer
og et iltatom, og molekylet kan
vride og vende sig på utallige
måder. Det betyder, at is ikke
blot er is, men at der er 13 forskellige
former for is.
Under visse omstændigheder
fryser vand imidlertid ikke til is,
men kommer i det, der kaldes
en glastilstand.
Glas alle vegne
At bruge ordet “glas” om en
tilstand er ikke helt heldigt på
dansk, hvor glas er noget, man
drikker af. Men når man taler
om materialer, bruges betegnelsen
“glas” om alle stoffer, der er
skabt ved, at en væske er blevet
kølet til et fast stof uden at have
krystalliseret sig. Med andre ord
er glasser faste stoffer helt uden
orden. Almindeligt glas, som vi
bruger det i vinduer, er faktisk i
en glastilstand, og mange fi bre
og polymerer fi ndes i glasformer:
Mikrofi bre er i glasform,
optiske fi bre er lavet af glasformigt
mineral, og vulkaner blander
jordens stenarter til det glasformige
lava. Derudover er bolcher
ofte sukker i glasform, og
glasfi bermaterialer består af intet
Is er ikke bare is – der fi ndes 13 forskellige former for is. Her er det “isblomster”- på en rude.
andet end glasformige fi bre.
Endelig kan almindeligt vand
også omdannes til glas.
Fra glas til is
Overgangen fra vands glastilstand
til almindeligt is er blevet
studeret gennem mere end 50
år, og for nylig lykkedes det på
Aalborg Universitet at give en
helt ny beskrivelse af fænomenet.
Det er vigtigt, fordi viden
om vand er i høj kurs. Alle computermodeller
af cellers og proteiners
funktioner er helt afhængige
af, at man ved, hvordan
vand opfører sig. Glasformigt
vand er desuden den form for
vand, der er mest udbredt i universet:
Alt kometstøv i verdensrummet
er dækket af et meget
tyndt lag glasformigt vand.
Forskellen på vand og is
består i den måde, vandmolekylerne
er organiseret på i forhold
til hinanden. Jo højere
temperatur molekylerne har, des
Foto: CRK

mere bevæger de sig. Molekylerne
i væskefasen har tilstrækkeligt
med energi til at bevæge
sig rundt mellem hinanden, og
binder sig kun svagt til hinanden.
Når vand køles, bliver det
almindeligvis til is, fordi kølingen
får de uordnede vandmolekyler
til at bevæge sig langsommere
og langsommere, og
derved gør det muligt for dem
at binde sig så stærkt til til hinanden,
at de stivner i en velorganiseret
struktur.
Hvis almindeligt og fra naturens
side ustruktureret vand
derimod køles ekstremt hurtigt,
kan vandmolekylerne ikke nå
at organisere sig, men stivner så
at sige i den position og orientering,
de havde i væsken. Det
er denne tilstand, der er glasfasen,
hvor de dannede bindinger
godt nok er stærkere end i vand,
men fordi vandmolekylerne ikke
har fået tid til at sætte sig bedst
muligt tilrette, er bindingerne
ikke så stærke som i is.
Rod i rodet
Gennem et samarbejde med
C. A. Angell fra Arizona State
University, USA, er vi på Aalborg
Universitet netop kommet
løsningen på gåden om den
såkaldte glasovergang mellem en
glastilstand af vand til en uendeligt
kortlivet, superkølet væsketilstand
et stort skridt nærmere.
Overgangen har været en kilde
til undren i mange år, fordi glas-
For at omdanne is eller glas til
vand kræves energi for at bryde
bindingerne mellem molekylerne
i det faste stof, så de kan
bevæge sig frit. Ved en faseovergang
er det netop karakteristisk,
at systemet tilføres energi, der
udelukkende bruges til at omorganisere
molekylerne og ikke til
at varme systemet op. Ved at
måle temperaturen som funktion
af den energi, man tilsætter et
system, kan man derfor opdage
en faseovergang ved at se, hvornår
noget energi bare “forsvinder”
uden at blive til varme.
Et klassisk forsøg, der viser
en faseovergang, er at tilføre
en konstant mængde energi til
en klump is i en skål. Det kan
måles, at isklumpen først bliver
varmere og varmere, og at den
Vands glasovergang
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 1 | 2 0 0 4
Måling af faseovergange
Mange væsker kan omdannes
til en glas, hvis man køler dem
så hurtigt, at væsken ikke når at
starte krystallisationen. I tilfældet
vand skal der køles med en
hastighed af en million grader i
sekundet for at undgå at danne
iskrystaller, men i stedet få glasformigt
vand.
Under genopvarmning, men
stadig under smeltepunktet,
vil såkaldte “gode” glasdannere
omdannes til superkølede
væsker og dermed gennemgå en
glasovergang. Andre stoffer vil
derimod omdannes direkte fra
glas til krystal.
Gennem de sidste 20 år har
det været bredt accepteret, at
vand har en glasovergang ved
-137°C, men der har været visse
problemer. Det, man målte,
var en lille stigning i varmekapaciteten
for glasformigt vand
ved -137°C, svarende til, at der
skulle bruges lidt mere energi
ved denne temperatur for at få
det glasformige vand til at stige i
temperatur. Ved en glasovergang
må det forventes, at der skal bruges
en lille smule ekstra energi
for at gennemføre omdannelsen,
så det var nærliggende at konkludere,
at -137°C var glasovergangstemperaturen,
T g .
Ved at sammenligne med et
par mineralske glasser, der var
kendt som gode glasdannere
blev det imidlertid klart, at den
ved 0°C begynder at smelte.
Det sker uden at indholdet
i skålen ændrer temperatur,
fordi energien går til faseomdannelsen.
Først når al isen er
blevet til vand, begynder temperaturen
at stige igen.
I moderne målinger af faseovergange
bruges en teknik
kaldet differential scanning
calorimetri. Med denne metode
kan man meget præcist måle,
hvor meget energi en prøve
absorberer eller afgiver under
en strengt kontrolleret opvarmning.
Ved en faseovergang vil
prøven enten frigive energi
som varme eller bruge energi
til omorganisering, og derved
afslører faseovergangstemperaturen
sig i det scan, der laves.
Varmekapacitet i J g -1 K -1
1, 8
1, 6
1, 4
1, 2
1, 0
Gl as formigt vand
T g,s kygge
Krystallisat ion
-160 -140 -120
Temperaturen i ˚C
lille effekt hang sammen med
den måde, det glasformige vand
blev behandlet på før opvarmningen.
Det mineralske glas
gennemgik nemlig også en lille
stigning i varmekapaciteten, når
det blev skabt ved lynkøling og
efterbehandlet på samme måde
som vandet blev det. Hvis det
mineralske glas blev skabt ved
langsom nedkøling, var der ingen
effekt, så konklusionen er, at
den lille effekt ikke har noget at
gøre med glasovergangen, men
snarere er et spørgsmål om, at
nogle små defekter i materialet
rører på sig. Effekten kaldes en
skyggeeffekt, og er illusteret i
fi gur A.
Hvis man havde kunnet køle
vandet langsommere, havde man
A
Langsomt kølet mineralglas
Lynkølet og efterbehandlet mineralglas
0, 8
0 200 400 600 800 1000
0
-36
-114
-137
-200
F Y S I K & K E M I
T/˚C
Tg,skygge
Tg
Temperaturen i ˚C
Almindeligt vand
Underafkølet vand
Krystallinsk is
Ultraviskøst vand
Vandglas
Den “kolde ende” af fasediagrammet
for vand under teoretisk,
ideelle betingelser.
sikkert set en kurve som for det
langsomt kølede glas i fi gur B,
når man varmede op, mens en
glas, der køles ligeså hurtigt som
vandet, følger udviklingen for
den lynkølede mineralske glas i
fi gur B. I tilfældet med vand sker
krystallisationen formentlig før
glasovergangen fi nder sted, så
den stiplede del af kurven for
den lynkølede mineralske kurve
er den del, som det glasformige
vand springer over. Figur A viser,
hvordan kurven for vand aldrig
når at stige, så glasovergangen
bliver ikke registreret før det glasformige
vand er krystalliseret.
Den teoretiske glasovergang
for vand ligger derfor noget højere
end -137°C, måske helt oppe ved
-114°C.
B
krystallisation
19

20
Foto: Rockwool International A/S
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 1 | 2 0 0 4
F Y S I K & K E M I
Et foto af kaskadeprocessen set bagfra med stenuldsfi bre, der slynges ud fra hjulene, og ses som striber i den røde “tåge”.
Glas og Rockwool
Isoleringsmaterialet stenuld består af meget tynde
fi bre, der er i en glasfase – strukturen i fi brene er
ikke ordnet, men trukket med voldsom hastighed
(en million grad per sekund) fra en glassmelte
fremstillet af forskellige mineraler. Det danske fi rma
Rockwool, som er verdens største producent af
stenuld, har derfor en naturlig interesse i forskningen
i glasser og fi bre. Rockwool samarbejder derfor
med Yuanzheng Yues gruppe på Aalborg Universitet,
og har sponseret to ph.d.-studerende. For til stadighed
at kunne udvikle og forbedre produkterne er en
grundlæggende forståelse af glasmaterialer og de
fi bre, der fremstilles, helt nødvendig. Forskellige produktionsmetoder
giver helt forskellige egenskaber
for fi bre fremstillet af det samme materiale, og hvis
man kender årsagen til forskellen, vil man bedre
kunne optimere produktionen og dermed i længden
få bedre og billigere produkter.
På fi guren ses kaskadeprocessen, som anvendes
til produktion af stenuldsfi bre hos Rockwool.
Det smeltede stof løber ned over fi re spindehjul og
Roterende hjul
Principtegning af fremstillingen af stenuldsfi bre ved brug af kaskadeproces.
fi brene dannes ved at små dråber af smelte slynges
ud fra hjulene og derved trækkes til glasformige
fi bre.
Smelte
Fibre
Bindemiddel til
at samle fibrene
overgangen tilsyneladende krævede
alt for lidt energi og fandt
sted ved alt for lav temperatur i
forhold til den teori, der er om
glasser.
Vi har opdaget, at det, man
troede var glasovergangen, i virkeligheden
var en omdannelse
af defekter. At tale om defekter
i en helt uordnet struktur virker
lidt meningsløst, men rod
kan også være mere eller mindre
ustabilt. Hvis man i et rodet
værelse bruger en lille smule
energi på at vælte en rodet
bunke bøger, bliver værelset ikke
mere rodet, men det bliver sværere
at få værelset til at se mærkbart
anderledes ud. Værelset er
således mere stabilt, når bøgerne
er væltet end i den tidligere tilstand,
hvor man med ganske
lidt energi fi k ændret værelset
ganske meget.
I en tid, hvor man kan
bremse lyset, se atomer og sende
robotter til Mars, kan det måske
undre, at der stadig kan være
problemer med et fasediagram
for vand. Men vand er noget
af det mest komplicerede, der
fi ndes, og der kræves meget
fi nt udstyr for at kunne måle
denne faseovergang. I nærheden
af faseovergangen er det
glasformige vand så ustabilt, at
enhver forstyrrelse af systemet
vil få krystalliseringen til at gå i
gang. Når den først er sat i gang
går det uendeligt hurtigt med
at omdanne alt det glasformige
vand. Hvis man bare kunne
nå at opvarme det glasformige
vand ligeså hurtigt, som man
køler det, ville det glasformige
vand formentlig ikke få tid til at
“opdage”, hvor ustabilt det var,
men opføre sig som en ordentlig
glas bør gøre.
Et af de store uløste
problemer
I det store perspektiv er det ikke
helt ligegyldigt, hvor på temperaturskalaen
glasovergangen for
vand ligger. I den farmaceutiske
industri og inden for fødevarefremstilling
er frysetørring
et meget vigtigt middel til at
forlænge produkternes holdbarhed,
og ved frysetørring opfører
de frosne produkter sig meget
som en glas. Typisk er der vand
i dette glas, så for at have fuld-

stændig kontrol over de processer,
der fi nder sted, er det nødvendigt
at have viden om, hvordan
vandet opfører sig.
Beskrivelsen af glas er derudover
en meget stor teoretisk
udfordring. Nobelpristageren P.
W. Anderson (fysik 1997) har
beskrevet glas og glasovergangen
som sandsynligvis det mest
fundamentale og interessante
uløste problem i faststoffysikken.
En bedre forståelse af glas
vil forhåbentligt kunne forklare,
hvorfor glasformige fi bre f.eks.
kan klare op til 100 gange stærkere
træk, end når stoffet ikke er
i fi berform.
Mysteriet vand
Undersøgelsen af glasovergangen
for vand er ikke det eneste
område, hvor vand i sig selv har
interesse for forskerne. På rigtigt
mange områder opfører vand sig
helt anderledes end andre væsker.
For eksempel trækker de fl este
væsker sig sammen, når de kølet
Foto: Rockwool International A/S
Vanddråber på rockwool-fi bre. Man ser en anden af vands specielle
egenskaber: den kraftige overfl adespænding.
ned til frysepunktet, mens vandmolekylerne
ligger tættest på
hinanden ved 4°C, og en deciliter
vand ved 0°C er derfor lettere
end en deciliter vand ved 4°C.
I et glas med is i, kan vandet i
bunden derfor sagtes være 4°C
varmt. En anden besynderlig
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 1 | 2 0 0 4
F Y S I K & K E M I
egenskab ved vand er, at frossent
vand fl yder ovenpå. I stort set
alle andre væsker vil det faste stof
synke til bunds. Der er ingen,
der rigtigt forstår, hvorfor vand
er så afvigende, men det er helt
sikkert, at vi er langt fra virkeligt
at forstå vandet omkring os. ■
Fysikere skaber nyt stof
Af Klaus Seiersen
■ Fysikere ved National Institute
of Standards and Technology
(NIST) og University of
Colorado i Boulder har fremstillet
en ny type stof, et såkaldt
fermionisk kondensat.
Afkøler man atomer til temperaturer
nær det absolutte nulpunkt,
kan der i visse tilfælde
dannes et såkaldt Bose-Einstein
kondensat. Betingelsen er, at
antallet af protoner, neutroner
og elektroner i atomet tilsammen
er et lige antal (mere præcist,
at atomets spin er heltalligt).
Atomet kaldes så en boson,
og bosoner har den egenskab, at
de kan befi nde sig i præcis den
samme kvantetilstand. Et Bose-
Einstein kondensat er netop
et system, hvor alle atomer er
i samme tilstand, og hvor man
ikke kan skelne det ene atom fra
det andet. Det første Bose-Einstein
kondensat blev fremstillet
i 1995, hvilket resulterede i
Nobelprisen i fysik i 2001.
Elektroner, protoner og neutroner
(samt atomer, der består
af et ulige antal af disse partikler),
er derimod fermioner, altså
partikler med halvtalligt spin,
og de må ikke være i samme
tilstand. Dette kaldes Paulis
udelukkelsesprincip, og som
eksempel på dette kan nævnes
atomernes elektroner, som lægger
sig uden på hinanden i skaller,
hvorved de danner grundlag
for de kemiske egenskaber i hele
det periodiske system. Hvis to
fermioner parres til én partikel,
så vil den nye partikel være en
boson.
I forsøget i Boulder nedkøledes
en gas af kalium atomer
(fermioner), og ved meget lave
temperaturer dannede partiklerne
par, der efterfølgende kondenserede.
Man har tidligere
observeret, at atomer kan danne
par som molekyler, der kan
kondensere som bosoner, men i
det aktuelle eksperiment er der
dog tale om en meget mere løs
parring, som ikke skal forveksles
med et molekyles.
Parringen svarer til den parring
af elektroner, der fi nder
sted i en superleder. Her går
elektronerne sammen to og to,
og derved kommer parrene (kaldet
Cooper par) til at optræde
som bosoner. Dog er styrken
af parrene i det netop dannede
fermioniske kondensat meget
stærkere end den, man kender
fra traditionelle superledere.
Havde man tilsvarende styrke i
en superleders Cooper par, så vil
superlederen kunne fungere ved
stuetemperatur. Det er derfor
forskernes håb, at den grundlæggende
fysik, der kan læres
fra fermioniske kondensater, på
sigt vil gøre det muligt at fremstille
nye og bedre superledende
materialer.
Om forfatteren:
Lektor Yuanzheng Yue, phd.
Institut for Bioteknologi,
Afdelingen for Kemi,
Aalborg Universitet,
Tlf.: 9635 8522
e-mail: yy@bio.auc.dk
Konsulent
Anne-Louise Stranne Petersen
informationsmedarbejder ved
Aalborg Universitets
Teknisk-Naturvidenskabelige
Fakultet.
Tlf.: 9635 9644
e-mail: ap@adm.aau.dk
Videre læsning:
Nature 19/2 2004, vol. 427,
p. 717 - 720.
Illustration: NIST/University of
Colorado
Farvelagt illustration af et kondensat
af kalium atomer. Høje,
røde områder indikerer stor tæthed
af atomer.
Eksperimentet i Boulder er
kulminationen på fl ere årtiers
teoretisk forarbejde, og med
forsøget åbnes nu op for en lang
række uddybende eksperimentelle
undersøgelser, som formentligt
vil kaste nyt lys på det
meget aktive forskningsfelt.
Kilde: Phys. Rev. Lett. 92,
040403 (2004) ■
21