termodynamiikka

"Keinotekoisen spin-jään" tietyissä olomuodoissa aine vaikuttaa olevan epäjärjestyksessä, mutta todellisuudessa se on järjestynyttä, mutta poikkeuksellisella tavalla, "topologisesti".

Vastikään löydetyn aineen olomuodon rakenne määrittyy pikemminkin kvanttimekaniikan kuin perinteisen termodynamiikan lakien mukaan.

"Tutkimuksemme osoittaa ensimmäisen kerran, että klassiset järjestelmät kuten keinotekoinen spin-jää voidaan suunnitella siten, että niissä on topologisesti järjestyneitä olomuotoja, joita on aiemmin löytynyt ainoastaan kvanttiolosuhteissa", toteaa teoriapuolta tutkinutta ryhmää Los Alamosin kansallisessa laboratoriossa johtanut Christiano Nisoli. Kokeet tehtiin Illinois’n yliopistossa Peter Schifferin johdolla.

Tuoreessa tutkimuksessa tarkasteltiin tietyntyyppisen keinotekoisen spin-jään, Shakti-spin-jään, geometriaa. Yleensä tällaisten aineiden jäljille päästään teoreettisesti, mutta tällä kertaa erikoiset ominaisuudet löydettiin kokeellisesti.

Tutkijoiden selvittäessä Shakti-spin-jään ominaisuuksia PEM-elektronimikroskoopilla (Photoemission Electron Microscopy) he huomasivat, että toisin kuin muut keinotekoiset spin-jäät, jotka asettuivat alimmalle energiatasolleen lämpötilan laskiessa, Shakti-versio pysytteli sitkeästi samalla energiatasolla. Jonkin ominaisuuden täytyi säilyä lämpötilan laskusta huolimatta.

Teoreettisesti on laskettu, että tietyissä oloissa nestemäisen veden tiheys voi laskea äkillisesti ja vesimolekyylit järjestyä uudelleen tavalla, joka tekee vedestä jähmeämpää, vähemmän vuolaasti virtaavaa.

Keittiön vesihanasta juoksevan veden kohdalla ei moisista muutoksista ole pelkoa, sillä Arizonan valtionyliopiston C. Austen Angellin johtaman ryhmän kokeissa tarvittiin hyvin alhaisia lämpötiloja ja erikoisolosuhteita.

Simulaatioiden perusteella etsittyä ilmiötä on ollut vaikea havaita kokeellisesti, koska juuri ennen veden oletettua nesteolomuodon muutosta se tuppaa muuttumaan kiteiseksi jääksi. Ilmiölle on annettu nimeksi "kiteytymisverho" ja se on estänyt monia muitakin veden olemuksen selvittämiseen tähdänneitä kokeita.

"Keksimme kuitenkin keinon, jolla ’kiteytymisverhon’ saa vedettyä syrjään riittävän pitkäksi ajaksi, jotta ehdimme nähdä, mitä on sen tuolla puolen – tai pikemminkin sen alapuolella", Angell toteaa.

Nyt havaittu olomuodon muutos muistuttaa veden jäätymistä, mutta se tapahtuu paljon nollaa celsiusastetta alhaisemmassa lämpötilassa. Andellin johtamissa kokeissa tempussa onnistuttiin –90 celsiusasteen lämpötilassa. Vesi voi siis olla nesteenä paljon jäätymispistettä alhaisemmissa lämpötiloissa, mutta se onnistuu vain laboratorio-olosuhteissa.

Uudenlaisen veden jäljille päästiin laboratoriossakin jo pari vuotta sitten, kun Andell selvitteli kollegansa Zuofeng Zhaon kanssa proteiinien tutkimuksessa käytetyn "ideaaliliuoksen" ominaisuuksia. He huomasivat, että tietyissä oloissa suolaliuoksen jäähtyessä alkoikin vapautua lämpöä, joka mahdollisti veden pysymisen nesteenä, tosin uudenlaisessa olomuodossa.