Физики обнаружили скрытое состояние воды при переохлаждении
Результаты нового исследования, опубликованного в журнале Science, объясняет одно из самых странных свойств воды. Международная команда ученых обнаружила ранее скрытую «критическую точку», которая проявляется в переохлажденной воде — жидкости, остающейся текучей при температурах ниже обычной точки замерзания.
Ранее считалось, что в этих условиях вода может существовать в двух фазах одновременно: высокой и низкой плотности. Новое исследование дает прямые доказательства этого и показывает, что за этой границей вода переходит в уникальное, летучее состояние своей молекулярной структуры.
Эксперименты на грани замерзания
Измерить эти состояния оказалось крайне сложно. Ученые называют эту область «ничейной землей», поскольку вода находится между жидкостью и льдом.
«Уникальность заключалась в том, что мы смогли провести рентгеновское излучение с невероятной скоростью, прежде чем лед замерз, и наблюдать, как исчезает жидкостно-жидкостный переход и возникает новое критическое состояние», — объясняет физик-химик Андерс Нильссон из Стокгольмского университета.
Ключевым инструментом стали быстрый нагрев с помощью инфракрасных лазеров и сверхбыстрые рентгеновские снимки. Лед проходил через жидкостно-жидкостное состояние и критическую точку, позволяя исследователям зафиксировать мельчайшие структурные изменения.
Плотность, давление и температура
Исследователи изучали влияние температуры и давления на разные формы воды: аморфный лед высокой плотности (HDA), жидкость низкой плотности (LDL) и жидкость высокой плотности (HDL). Точная критическая точка еще не установлена, но с высокой вероятностью она находится около -63 °C и давления 1000 атмосфер.
Интересно, что динамика воды возле критической точки замедляется, и молекулярные перестройки занимают гораздо больше времени. Фивос Перакис из Стокгольмского университета отмечает: «Вода — единственная сверхкритическая жидкость при обычных условиях, в которой существует жизнь, и без воды жизнь невозможна».
Почему это важно
Хотя открытия могут показаться абстрактными, они расширяют фундаментальное понимание воды. Эти знания помогают объяснить, почему вода ведет себя странно, например, почему лед плавает, а не тонет.
«Теперь исследователи могут прийти к единому мнению о модели, в которой вода имеет критическую точку в переохлажденном состоянии. Следующий этап — выяснить, как это влияет на физические, химические, биологические и климатические процессы», — говорит Нильссон.
Маленькие шаги к большим открытиям
С помощью этих экспериментов ученые сделали значительный шаг в изучении жидкостно-жидкостного перехода воды. Новые данные помогут понять поведение воды в экстремальных условиях на Земле и других планетах, а также улучшат фундаментальные модели для науки о климате, геологии и биологии.
Странные свойства воды, которые кажутся повседневными, на самом деле связаны с глубокой физикой, и эти открытия лишь подчеркивают, насколько уникальна эта жидкость для жизни и науки.
