Повсеместно распространённая и фундаментальная для биологических процессов вода демонстрирует аномальные физические характеристики, отличающие её от большинства известных жидкостей. Её уникальные свойства, включая теплоёмкость, вязкость и сжимаемость, изменяются под воздействием температуры и давления способами, противоречащими стандартным физическим моделям, что десятилетиями ставило учёных в тупик.
Исследовательская группа из Стокгольмского университета, применяя передовые рентгеновские лазерные технологии, сумела идентифицировать долгое время гипотетическую критическую точку в переохлаждённой воде. Это открытие, подробно описанное в журнале Science, способно пролить свет на природу многих странных особенностей воды. Эксперименты позволили зафиксировать состояние, возникающее при экстремальных условиях: температуре приблизительно -63°С и давлении в 1000 атмосфер.
Одним из наиболее парадоксальных свойств воды является её поведение при охлаждении. Вопреки общим законам, согласно которым вещества при понижении температуры сжимаются и увеличивают плотность, вода достигает максимальной плотности при 4 градусах Цельсия. При дальнейшем охлаждении она вновь начинает расширяться, что объясняет, почему лёд обладает меньшей плотностью и плавает на поверхности водоёмов. Это явление, в свою очередь, обеспечивает стабильность температурного режима в озёрах и океанах, создавая условия для существования подводной жизни.
Наблюдение за аномалией с помощью импульсной рентгенографии
Для захвата неуловимого состояния воды учёные использовали сверхбыстрые аналитические импульсы, генерируемые мощными лазерными установками в Южной Корее. Эта методика позволила провести наблюдения за водой в глубоко переохлаждённом состоянии непосредственно в момент перед её кристаллизацией в лёд.
«Уникальность нашего подхода заключалась в возможности провести рентгенографическое исследование с невероятной скоростью, до того как образец замерзал, — прокомментировал Андерс Нильссон, профессор химической физики на факультете физики Стокгольмского университета. — Мы смогли наблюдать, как исчезает переход между формами жидкости и возникает новое критическое состояние. Много лет существовали различные теории, пытающиеся объяснить удивительные свойства воды, и одна из них предполагала наличие именно такой критической точки. Теперь мы получили прямое доказательство её существования».
Двойственная природа воды и фазовый переход
При экстремально низких температурах в сочетании с высоким давлением вода способна существовать в двух различных жидких формах, между которыми возможен фазовый переход. Обнаруженная критическая точка соответствует завершению линии этого перехода, где различия между двумя формами стираются. Именно влияние этой скрытой точки, как полагают исследователи, распространяется и на обычные условия, определяя многие аномальные термодинамические отклики воды.
Расширение воды при охлаждении ниже 4 градусов Цельсия не только продолжается, но и усиливается по мере дальнейшего падения температуры, если процесс кристаллизации замедлен. Аналогичным нестандартным образом ведут себя и другие её свойства, такие как сжимаемость и теплоёмкость, становясь всё более выраженными при охлаждении.
Таким образом, открытие, сделанное международной командой учёных, предоставляет ключевое звено для понимания фундаментального поведения воды. Это знание имеет далеко идущие последствия не только для фундаментальной физики и химии, но и для объяснения тех самых условий, которые сделали возможным возникновение и развитие жизни на нашей планете.
вух отдельных жидких фаз с различной структурой молекулярных связей. По мере изменения условий эти две формы переходят в одну фазу в критическом состоянии.
Около этой точки система становится крайне нестабильной, и вода быстро переключается между двумя жидкими состояниями или их смесью. Эти колебания колебаний в зависимости от температуры и давлений достигли даже нормальных условий окружающей среды. Ученые полагают, что именно эти постоянные изменения придают воде ее необычные характеристики.
За критической водной точкой переход в сверхкритическое состояние, и в краткосрочных условиях она уже существует в этом режиме.
«Похожий на черную дыру»; Эффект в динамике воды
Исследователи также обнаружили, что молекулярное движение резко замедляется, когда вода приближается к критической точке.
«Похоже, что вам не удастся избежать критических точек, если войдете в нее, почти как в черную дыру», — сказал он. — говорит Робин Тыбурски, научный сотрудник химической физики Стокгольмского университета.
Прорыв, который создает колебания
"Удивительно, как аморфные льды, настолько тщательно изученное состояние воды, что привело к нашему входу в критическую область. Это большое вдохновение для моих нынешних исследований и напоминание о возможностях совершенства открытий в таких широко изучаемых темах, как вода», — сказал он. — говорит Айгерим Карина, постдок по химической физике Стокгольмского университета.
«Это была мечта – иметь возможность измерить воду при такой низкой температуре без ее замерзания», – сказал он. — говорит Ясон Андронис, аспирант кафедры химической физики Стокгольмского университета. «Многие исследователи нашли эту критическую точку, но для демонстрации рентгеновских лазеров средства были недоступны».
"Мне очень интересно, что вода внутри – сверхкритическая жидкость в условиях окружающей среды, где существует жизнь, и мы также знаем, что без воды нет жизни. Это чистое совпадение или есть какие-то важные знания, которые мы можем получить в будущем?» — говорит Фивос Перакис, доцент кафедры химической физики Стокгольмского университета.
Разгадка многовековой загадки воды
"О происхождении странных свойств воды ведут интенсивные дебаты уже более трудно, начиная с первых работ Вольфганга Рентгена," мысль Андерс Нильссон. «Исследователи, изучающие физику воды, теперь могут остановиться на моделях, согласно которым вода имеет критическую точку в режиме переохлаждения. Следующий этап – выяснить влияние этих результатов на значение воды в физических, пищевых, биологических, геологических и климатических процессах. Это большая проблема для посетителей нескольких лет».
Международное сотрудничество, стоящее за открытиями
В этом мероприятии приняли участие Стокгольмский университет, Университет POSTECH и PAL-XFEL в Южной Корее, Общество Макса Планка, Университет Иоганна Гутенберга в Германии и Университет Св. Франциска Ксаверия в Кандаде. В число участников приехали Айгерим Карина, Робин Тыбурски, Ясон Андронис и Фивос Перакис, а также бывшие члены группы химической физики Стокгольмского университета