Ученые обнаружили скрытую критическую точку в воде перед ее замерзанием

Фото из открытых источников

По мере охлаждения вода ведет себя все более странно с точки зрения физики, и исследователи, ищущие объяснения этому, обнаружили нечто новое: ранее скрытую «критическую точку», которая возникает в переохлажденной воде, не замерзающей. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

С помощью различных методов, связанных с давлением и температурой, ученые могут поддерживать воду в жидком состоянии значительно ниже стандартной точки замерзания. Предыдущие исследования предполагали, что на этом особом этапе вода разделяется на две различные фазы – высокоплотную и низкоплотную жидкости.

В этом новом исследовании международная группа ученых получила более прямые доказательства существования этого жидкостно-жидкостного состояния, а также критической точки, за которой вода переходит в единственное, но летучее состояние с точки зрения своей молекулярной структуры.

Получить хоть сколько-нибудь достоверное представление об этих состояниях воды оказалось сложно, поскольку они находятся на самой границе между замерзанием воды и превращением в лед. В плане получения точных измерений это место называют «ничейной землей».

«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», — говорит Андерс Нильссон из Стокгольмского университета в Швеции. «На протяжении десятилетий высказывались предположения и существовали различные теории, объясняющие эти замечательные свойства, и одна из них заключалась в существовании критической точки. Теперь мы обнаружили, что такая точка существует».

Быстрый нагрев (с помощью инфракрасных лазеров) и сверхбыстрые снимки (с помощью рентгеновского излучения) имели решающее значение для проведенных здесь экспериментов. Созданный исследователями лед перемещался через жидкостно-жидкостное состояние, через критическую точку и в флуктуирующее состояние, при этом наблюдения проводились в мельчайших временных масштабах.

Хотя точная критическая точка еще не определена, данное исследование значительно сужает ее границы. Исследователи считают, что она находится примерно на отметке -63 °C и 1000 атмосфер, что поможет в дальнейших исследованиях.

Более того, критическая точка, по-видимому, похожа на черную дыру. По мере приближения воды к ней динамика системы жидкости замедляется, и структурные изменения занимают гораздо больше времени. Это делает невозможным для жидкости избежать перехода.

Эти открытия могут показаться эзотерическими и интересными только физикам, но на самом деле они продвигают наше понимание того, как работает вода (и почему она может вести себя так странно) на фундаментальном уровне. Это имеет значение практически для всего, в чем участвует вода на нашей планете и за ее пределами, а это очень многое.

«Исследователи, изучающие физику воды, теперь могут прийти к единому мнению относительно модели, согласно которой вода имеет критическую точку в режиме переохлаждения», — говорит Нильссон. «Следующий этап — определить значение этих результатов для понимания роли воды в физических, химических, биологических, геологических и климатических процессах».

Достаточно взглянуть на кубики льда, чтобы увидеть странности воды. Когда вещество охлаждается, оно обычно сжимается и становится плотнее, но не вода, поэтому кубики льда плавают у поверхности стакана, а не опускаются на дно.

В воде, помимо её наиболее распространённых состояний, существует множество других странных свойств, включая поведение «двух в одном», которое анализируется здесь. Это ещё один шаг вперёд, но остаётся ещё много вопросов, на которые нужно ответить.

Еще одно отличие воды от других жидкостей заключается в том, что она необходима для жизни. Это направление исследований, которое ученые намерены продолжить.

«Меня очень радует, что вода — единственная сверхкритическая жидкость при обычных условиях, в которой существует жизнь, и мы также знаем, что без воды жизнь невозможна», — говорит Фивос Перакис из Стокгольмского университета. «Это просто совпадение или же в будущем нам предстоит получить какие-то важные знания?»