Воду превратили в необычное стекло при температуре ниже −60 °C
Воду охладили ниже −60 °C, но она не превратилась в лед. Вместо этого исследователи наблюдали, как жидкость постепенно переходит в необычное стеклообразное состояние. Об этом говорится в исследовании физиков ETH Zurich и Австралийской организации ядерной науки и технологий (ANSTO), опубликованном в Nature Communications.
Воде не дали замерзнуть
Обычно при снижении температуры молекулы воды выстраиваются в упорядоченную структуру и образуют лед. Но если кристаллизации не происходит, вода способна перейти в другое состояние. Ее молекулы теряют подвижность, однако не складываются в регулярную решетку. Получается аморфное, то есть неупорядоченное, твердое вещество, которое называют стеклообразной водой.
Наблюдать этот процесс напрямую сложно. Исследователи решили помешать воде образовать кристаллы. Для этого они поместили слой толщиной всего в несколько молекул между двумя липидными слоями из фитантриола. Это вещество сохраняет стабильную структуру даже при очень низких температурах и не позволяет воде превратиться в обычный лед.
Затем образец постепенно охлаждали и одновременно следили за изменениями в нем.
Что происходит с водой при сильном охлаждении
Для эксперимента использовали рентгеновское рассеяние и нейтронную спектроскопию. Последняя позволила отслеживать движения атомов водорода и понять, насколько быстро перемещаются молекулы воды.
Оказалось, что изменения происходят в гораздо более широком диапазоне температур, чем предполагалось. Замедление движения молекул наблюдалось от −63 до −20 °C. Особенно заметные изменения происходили примерно от −35 до −21 °C, когда вода становилась значительно менее подвижной.
Сам переход в стеклообразное твердое состояние происходил примерно при −74…−64 °C. В этот момент молекулы практически переставали двигаться, но не успевали выстроиться в кристаллическую структуру льда.
«Нейтронный сигнал, который регистрирует наш прибор, в основном определяется движением атомов водорода в воде, — объясняет специалист ANSTO Элис Клаппрот. — Это позволяет отдельно измерять динамику воды, даже когда она находится внутри сложной мягкой матрицы».
При дальнейшем охлаждении образец становился хрупким и покрывался микро- и макротрещинами.
Зачем понадобилась такая вода
Работа помогает лучше понять поведение воды в очень маленьких пространствах и при экстремальном охлаждении. Это важно не только для фундаментальной физики. Похожие условия возникают при глубокой заморозке продуктов и криоконсервации биологических материалов.
Авторы отмечают, что результаты могут быть полезны для изучения процессов, в которых вода находится в нанометровых структурах и не может свободно образовывать лед.
