Miks vesi jahtudes paisub? Uus selgitus

Enamasti kuuleme põhikooli esimestes füüsikatundides, et jahtudes asjad kahanevad ja kuumenedes paisuvad. Vesi paistab aga olevat erand reeglile. Jahtudes see üldlevinud vedelik mitte ei kaota ruumalas, vaid hoopis paisub. Sellist fenomeni selgitavad mõned teadlased "kokteilmudeliga" (ingl mixture model), mille kohaselt jahtumise tulemusena pääsevad mõjule väikese tihedusega jäälaadsed komponendid. Nagoya ülikooli materjaliteaduste keskuse teadur Masakazu Matsumoto nii ei arva.

"Teoreetikud väidavad tihti, et ülijahutatud vees kerkivad jahtumisel esile jäälaadsed lokaalsed struktuurid, ning et sellise heterogeense ja hõreda keskkonna osakaalu kasv põhjustabki tihedusanomaaliaid," ütles Matsumoto ajakirjas Physical Review Letters avaldatud artiklit kommenteerides. "Sellist selgitust on lihtne ette kujutada ning see tundub loogiline. Eksperimentalistid kalduvad uskuma teoreetikute kauneid ja lihtsaid mudeleid ning tõlgendavad neile toetudes enda kogutud andmeid," vahendab PhysOrg.com.

Kokteilmudelis ilmnevat heterogeensust pole tegelikult katseliselt tõestatud. Matsumoto seadis eesmärgiks ülijahutatud vee mudeldamise, et veenduda, kas ta suudab leida vee paisumise põhjuse tingimustes, kus see peaks hoopis kokku tõmbuma. 2007. aastal avaldatud eelmises teadusuuringus pakkus Matsumoto välja uue meetodi ülijahutatud vedelas vees esineva võrkstruktuuri vesiniksideme analüüsimiseks. "Avastasin, et ülijahutatud vee struktuuri on võimalik panna omandama mitmeid hulktahuka-kujulisi struktuure, nn vitriite," ütleb ta. "Arvasin, et käesolev probleem oleks hea võimalus minu meetodi katsetamiseks."

"Vesi on võrke moodustav aine. Võrgu struktuuri võib ette kujutada millegi käsna-laadsena," jätkab Matsumoto. "Käsnstruktuur on alguses olnud midagi vahutaolist, kuid membraanid kaovad, säilivad ainult talad (ingl beam) ehk sidemed. Nii vee- kui pesukäsna võrkstruktuurides kohtuvad neli tala sõlmpunktis (ingl node), moodustades juhuslike ühenduste ruumilise võrgustiku. Nagu Plateau juba 19. sajandil osutas, ristuvad vahus kolm tala sõlmpunktis regulaarse tetraheedrilise nurga - Maraldi nurga - all, samamoodi nagu vee vesiniksidemete võrgustikus."

Matsumoto kasutas vahustruktuuride mahu muutmise kolme eri viisi - talade pikkuse, talade ristumisnurga ja võrgu topoloogia muutmise - analüüsimiseks arvutisimulatsioone. "Kolme varianti omavahel võrreldes sai mehhanism väga selgeks. Üks aitab kaasa soojuspaisumisele, teine aitab kaasa soojus-kokkutõmbumisele, ja kolmas mitte. Tihedusmaksimum on nende võistlevate tegurite tulemus," selgitab ta.