Det kan siges ganske kort: uden vand, intet liv. Biologisk liv er opstået i vand, og vores liv afhænger af det. Vi kender alle vand i dets tre former, nemlig is, væske og damp, og vand er formentlig det molekyle, som flest af os kender den kemiske formel for: H2O.
Derfor kan det måske overraske, at der er en hel del, vi endnu ikke ved om vand, og at svaret på molekylets mysterier både kan udløse en nobelpris og få gennemgribende betydning for vores forståelse af biologi, medicin og endda selve livet.
”Det er forunderligt, at i den naturvidenskabelige forståelse af verden, vi har i fysik og kemi, der er vand anderledes end alt andet,” siger Søren Rud Keiding og kigger ned i vandet, der skvulper i Københavns kanal.
Han er professor i kemi, prodekan ved Aarhus Universitet og vandmand i faglig forstand, blandt andet som medforfatter til lærebogen ”Viden om vand”.
Havde det været lidt koldere, ville overfladen af kanalen være dækket af is, og det flydende vand ville strømme videre nedenunder.
”Der er ingen andre stoffer i hele verden, hvor den faste form flyder oven på den flydende. Vand er tættest ved fire grader, men derefter bliver det lettere og lettere. Hvis du stikker et stort termometer i kanalen, vil der være fire grader på bunden, og så vil det blive koldere og koldere opad mod overfladen,” konstaterer Søren Rud Keiding.
Vandmolekylet består som bekendt af to hydrogenatomer og ét oxygenatom, deraf formlen H2O. Som gas er molekylet ét af de letteste, som væske er det tættere, end man skulle tro, og i fast form som is er det meget lettere end forventet, således at is ligger i vandoverfladen og ikke på bunden.
Vand har desuden en usædvanligt høj varmekapacitet. Altså skal man tilføje meget energi for at opvarme det, og varmt vand indeholder derfor store mængder energi sammenlignet med andre væsker.
”Hælder du 70 grader varmt vand ud over din hånd, vil det brænde dig, men 70 grader varm olie vil føles blødt, lunt og rart,” forklarer Søren Rud Keiding.
Alt dette er noget, vi ved om vand i den forstand, at vi kan give en fænomenologisk forklaring på det. Vi kan med andre ord sige, at det er sådan, det forholder sig, men vi kan ikke, konstaterer Søren Rud Keiding, forklare præcis hvorfor:
”Vi har undersøgt vand på kryds og tværs, men vi kæmper med at finde en model, der beskriver alle de ting, vi har observeret. Og der driller vand. Det er skønt! Det er ligesom at være opdagelsesrejsende og få at vide, at i den retning har vi aldrig været før. Så der skal vi selvfølgelig hen. Det er derfor, der er så mange forskere, der arbejder med vand, for vi mangler en komplet model,” forklarer Søren Rud Keiding.
Der er i den internationale vandforskning bred enighed om, at de makroskopiske mærkværdige egenskaber ved vand er stærkt forbundet til vands mikroskopiske sammensætning. Mere præcist vands hydrogenbindinger.
Det er bindinger, der opstår, når hydrogen på ét vandmolekyle binder sig til oxygen på et andet, forklarer Sander Woutersen, professor i molekulær spektroskopi ved Amsterdams Universitet, hvor han forsker i væskers strukturer ved avanceret brug af infrarøde stråler:
”Andre væsker danner også bindinger, men som regel på en helt anden måde end i vand. Vands hydrogenbindinger er meget stærke og retningsorienterede. Det gør vand til en meget kompliceret væske.”
Men hydrogenbindingerne lader sig ikke sådan studere. I damp er de ikke-eksisterende, i flydende vand brydes og dannes de alt for hurtigt, og i is er de fastlåste. Derfor er forskningen centreret om ekstremt underafkølet vand. Vand, der fortsat er flydende, så hydrogenbindingerne dannes, men samtidig er så koldt, at molekylerne sætter farten ned.
I laboratoriet kan forskerne køle ekstremt rent vand ekstremt langt ned under det normale frysepunkt, og i det underafkølede vand bliver de mærkelige egenskaber også helt ekstreme, forklarer Sander Woutersen:
”Alle egenskaberne eksploderer. Vand udvider sig mere og stærkere ved så lave temperaturer, ligesom varmekapaciteten stiger. Altså kan underafkølet vand indeholde mere og mere energi, jo koldere det bliver, hvilket er helt modsat alle andre væsker. Og tanken er, at det skyldes de stærke interaktioner i hydrogenbindingerne.”
Så langt, så godt. Vand er mærkeligt, og det skyldes formentlig hydrogenbindingerne. Yderligere stiger antallet af molekyler med stærke hydrogenbindinger, jo koldere det underafkølede vand er. Og kigger man teoretisk set nærmere på det stærkt underafkølede vand, bliver det for alvor underligt.
Den fremherskende teori i vandforskning er nemlig, forklarer Sander Woutersen, at der ved de lave temperaturer i underafkølet vand faktisk eksisterer to forskellige væsker. Én væske med høj tæthed og én med lav tæthed. Det er her, mener man, vandforskningens hellige gral findes – svaret på det store ”hvorfor” om vands mærkelige egenskaber.
Derfor forskes der verden over i underafkølet vand for at afgøre, om teorien holder stik eller ej. Én af de førende på feltet er Anders Nilsson, der er professor i kemisk fysik ved Stockholms universitet og æresdoktor på DTU.
Og så holder han verdensrekorden i at køle flydende, rent vand længst ned. Helt ned til minus 45 grader celsius, som menes at være tærsklen til ”no man’s land” – punktet, hvor det teoretisk set ikke er muligt at køle flydende vand længere ned.
Anders Nilsson forklarer, at vands mærkelige egenskaber træder frem, når væsken er under 50 grader celsius. Og jo koldere, desto mere accelererer det mærkelige. En bedre forståelse af det ekstremt kolde vand kan derfor give en bedre forståelse af vand helt generelt. Og tilmed af alle de biologiske processer, vand indgår i. Inklusive selve livet, forklarer Anders Nilsson:
”Det er i sig selv interessant at forstå vands mærkværdige adfærd under 50 grader, fordi det også er i de temperaturer, at liv kan opstå.”
Anders Nilsson og hans kolleger forsøger derfor at bestemme vands molekylære struktur ved at dosere vanddråber på 10 mikrogram ind i et vakuum, hvor de nedkøles og måles med røntgenpulsstråler, inden de krystalliserer.
Håbet er at bekræfte, hvorledes og hvornår vand i den ekstremt underafkølede form består af to væsker. Hvis det lykkes, kan det føre til et samlet billede af, hvad vand egentlig er. Og det vil få signifikant betydning, vurderer Anders Nilsson:
”Der vil være ufatteligt mange implikationer af en komplet forståelse af vand. Med sådan en fundamental forståelse er det som regel svært at forudsige én specifik konsekvens, for den vil så at sige være indlejret i alt og påvirke vores liv på et utal af måder.”
En komplet forståelse af vand kan helt konkret, tilføjer Søren Rud Keiding, få betydning for udviklingen af effektiv medicin. Dette afhænger nemlig af en korrekt model for, hvordan medicin optages i menneskets krop, som består af 70 procent vand.
Der er altså meget på spil i opdagelsesrejsen mod en komplet kortlægning af det mærkelige molekyle. Derfor følger Søren Rud Keiding også nøje med i de fremskridt, vandforskningen gør i disse år.
”Der mangler bare den sidste dråbe, så at sige. Og den forsker, der kommer med løsningen, han eller hun skal nok få sig en nobelpris,” vurderer kemiprofessoren.
Søren Rud Keiding kigger gennem vandet i glasset og hælder det derefter i kanalen, hvor det blander sig med resten, og de to bliver uigenkendelige fra hinanden. På samme vis forstår han godt, at teorien om vand som to væsker forekommer de fleste kontraintuitiv.
Det synes, at vand, uanset om den nuværende teori viser sig at holde stik eller ej, fortsat vil være en mærkværdig størrelse. En fascinerende og forunderlig størrelse, runder kemiprofessoren af:
”Vand er anderledes end alt andet, men samtidig er det forudsætningen for liv. Det er ret fedt, synes jeg. Hvis livet var baseret på et fuldstændig ordinært molekyle, der opfører sig forventeligt, ville det være kedeligt. Det er da langt sjovere, at dette komplekse molekyle er udgangspunktet for hele det komplekse liv.”