Из школьного курса физики мы знаем, что вода замерзает при 0 градусов по шкале Цельсия, но это утверждение вполне может быть подвергнуто сомнению. Ученым удалось получить переохлажденную воду, которая не замерзает при температуре –68 °С.
Начинали от от минус 48 °С
В 2011 году компьютерное моделирование физиков из университета Юты показало, что нижней температуры, которой может достигнуть переохлаждённая жидкость, является отметка –48 °C.
Всё дело в том, что всем известные «ноль градусов Цельсия» относится к среднестатистической воде, которая всегда содержит некоторое количество примесей. Микрочастички становятся зародышами кристалликов льда (так называемыми центрами кристаллизации), которые постепенно разрастаются, занимая всё доступное пространство.
Заставить очень чистую воду (например, дистиллированную) перейти в кристаллическое состояние можно, спонтанно изменив структуру жидкости, пояснила руководитель проекта Валерия Молинеро.
Собственно, Валерию и её коллегу Эмили Мур интересовало, в каких условиях в чистой воде сформируются те самые центры кристаллизации и какие размеры должны иметь зародыши, чтобы началось преобразование воды в лёд.
Отметим, что физики научились отслеживать скорость кристаллизации воды до температуры –41 °С. При дальнейшем охлаждении кристаллизация происходит так быстро, что невозможно уследить за свойствами оставшейся воды. Поэтому Молинеро и Мур обратились за помощью к компьютерному моделированию.
Машина позволяет увидеть в миниатюре то, за чем нельзя наблюдать напрямую. Но чтобы сделать обоснованные выводы, необходимо уследить за тысячами зародышей кристаллов. Поэтому в модели Молинеро и Мур участвовало 32 768 молекул воды (к слову, меньше, чем в обычной капле).
Компьютерное моделирование переходных процессов показало, что в определённый момент жидкость обладает свойствами как воды, так и льда. Однако это состояние держится в течение очень короткого промежутка времени, из-за этого доказать само его существование было очень сложно.
В обычном состоянии каждая молекула H2O «хватается» за соседей слабыми водородными связями, которые постоянно рвутся и образуются снова из-за тепловых флуктуаций. Но по достижении -48 °C меняется молекулярная структура жидкости: каждая молекула воды образует устойчивый тетраэдр с четырьмя другими молекулами воды. Этот «промежуточный лёд» способствует постепенному формированию настоящего льда.
То есть и после достижения отметки –48 °C некоторое количество воды остаётся в жидком состоянии, хотя и на очень короткое время.
В статье в журнале Nature учёные писали, что, согласно расчётам, по достижении критической температуры у воды аномально падает плотность, растёт теплоёмкость и сжимаемость.
За десять лет удалось достичь показателя минус 68 °С
В 2020 году американские ученые впервые получили переохлажденную воду, которая не замерзает при температуре –68 °С. Исследование позволило доказать, что вода на самом деле состоит как минимум из двух разных типов жидкости, обладающих разными физическими свойствами. Статью с описанием исследования опубликовал научный журнал Science.
«Пытаясь объяснить некоторые аномальные свойства воды при помощи расчетов на суперкомпьютерах, теоретики еще 30 лет назад предположили, что жидкая вода может существовать в двух разных состояниях. Эта противоречивая гипотеза была одним из самых важных вопросов в химии и физике воды, который не удавалось долго решить»,
— рассказал один из авторов исследования, профессор Городского университета Нью-Йорка (США) Николас Джовамбаттиста.
Долгое время ученые считали, что у воды есть лишь одно жидкое состояние. Эти представления начали меняться на рубеже веков, когда ученые обнаружили, что пространственная структура и некоторые физические свойства молекул воды зависят от того, в какую стороны «повернуты спины атомов водорода», а также раскрыли различия в химических свойствах двух подобных пространственных форм молекул воды, параводы и ортводы.
Аналогичным образом ученые при проведении экспериментов с водой, охлажденной до сверхнизких температур, предположили, что вода может существовать в жидком виде в двух разных формах, фазовых состояниях, обладающих сравнительно низкой и высокой плотностью. Трудности с их отделением друг от друга породили массу споров о том, существуют ли эти состояния в реальности или только в теории.
Скрытое многообразие форм воды
Эти проблемы, как объясняет профессор Джовамбаттиста, связаны с тем, что теория предсказывает, что вода будет находиться в двух четко отделимых фазовых формах только при сверхнизких температурах (около –60 °С), при которых она находится в так называемом переохлажденном виде.
Как правило, воду можно удерживать в жидком состоянии при температурах, не превышающих –48 °С, если удалить из нее все примеси и охлаждать ее очень быстро. В теории вода может оставаться жидкостью и при более низких температурах, составляющих около минус 70 градусов Цельсия, однако добиться этого крайне сложно.
Американские физики решили эту проблему, не охлаждая воду, а особым образом нагревая аморфный лед высокой плотности при помощи инфракрасного лазера, способного вырабатывать очень мощные, но при этом сверхкороткие импульсы теплового излучения.
Данные вспышки света были настолько непродолжительными, что плотность образца воды не менялась при таянии льда, что впервые позволило ученым увидеть то, как формируется вода высокой плотности и проследить за ее превращением - фазовым переходом - в воду легкой плотности, подсвечивая растаявший лед при помощи рентгеновского лазера.
Эти наблюдения подтвердили, что оба типа жидкостей обладают разными свойствами, а также показали, что плотная вода была примерно на 20% тяжелее, чем ее легкая разновидность. При определенных условиях, как показывают расчеты Джовамбаттисты и его коллег, обе формы переохлажденной воды не будут смешиваться друг с другом. Иными словами, они будут взаимодействовать примерно так же, как обычная вода и масло, формирующие два четких слоя, если их налить в один и тот же сосуд.
«Пока не понятно, как присутствие двух типов воды будет влиять на поведение различных растворов и реакций между ними, в том числе и внутри живых организмов. Это толкает нас на проведение новых экспериментов с этими фазовыми состояниями жидкой воды»,
— подытожил профессор.
