De titel van dit bericht lijkt een geschikte vraag voor een wetenschappelijk examen op de lagere school, maar het antwoord is veel gecompliceerder dan het eerst lijkt. We hebben allemaal geleerd dat water bevriest bij 32 graden Fahrenheit, 0 graden Celsius, 273, 15 Kelvin. Dat is echter niet altijd het geval. Wetenschappers hebben vloeibaar water zo koud als -40 graden F in wolken gevonden en zelfs afgekoeld water tot -42 graden F in het laboratorium. Hoe laag konden ze gaan?
Dat blijkt een lastig probleem om te beantwoorden. Wanneer vloeibaar water onder -42 graden F wordt afgekoeld, kristalliseert het te snel in ijs voor wetenschappers om de temperatuur van de vloeistof te meten. Dus ontwikkelden Emily Moore en Valeria Molinero van de Universiteit van Utah een geavanceerde computersimulatie van 32.768 watermoleculen (minder moleculen dan er in een regendruppel te vinden zijn) waarmee ze konden zien wat er met de warmtecapaciteit, dichtheid en samendrukbaarheid van het water gebeurde terwijl het onderkoelde en bepalen wat er gebeurde toen 4000 van die moleculen vastliepen. Hun resultaten verschijnen in het tijdschrift Nature .
Naarmate de temperatuur van het water -55 graden F nadert, vormen de watermoleculen tetraëders, waarbij elk molecuul losjes bindt aan vier andere moleculen. De dichtheid van het water neemt af, de warmtecapaciteit neemt toe en de samendrukbaarheid neemt toe. "De verandering in structuur van water bepaalt de snelheid waarmee ijs wordt gevormd", zegt Molinero. "We laten zien dat zowel de thermodynamica van water als de kristallisatiesnelheid worden bestuurd door de verandering in structuur van vloeibaar water dat de structuur van ijs nadert." Onder -55 graden F kunnen kleine stukjes vloeibaar water nog steeds bestaan, maar dat zou zo zijn alleen voor een ongelooflijk korte tijd, zegt Molinero.
Deze onderkoeling van water is mogelijk omdat water een kleine kern of zaad van ijs nodig heeft voor de moleculen om kristallen te vormen en in zeer zuiver water "de enige manier om een kern te vormen is door de structuur van de vloeistof spontaan te veranderen, " zegt Molinero. Die kernen zullen zich niet groot genoeg vormen of groeien totdat de structuur van de vloeibare watermoleculen die van vast ijs benadert, wat niet gebeurt totdat het water zo ongelooflijk koud wordt.
( HT: io9 )
