Новые эксперименты позволили обнаружить критическую точку у переохлажденной воды. Это состояние возникает при температуре около 210 кельвинов и давлении, примерно в тысячу раз превышающем атмосферное на уровне моря. Открытие проливает свет на давнюю научную загадку.
Исследование подтверждает, что переохлажденная вода может существовать в двух различных жидких формах, различающихся плотностью. При достижении определенных условий эти фазы становятся неразличимыми. Данное явление потенциально объясняет ряд аномальных свойств воды.
Работа проводилась с использованием лазерных методов для изучения поведения воды в переохлажденном состоянии. Полученные результаты имеют фундаментальное значение для понимания физико-химических свойств этой уникальной жидкости. Они открывают новые направления для исследований в материаловедении и смежных областях.
Обнаружение новой критической точки у переохлажденной воды подтверждает теоретические предсказания и углубляет понимание её фазовой диаграммы. Это открытие может служить ключом к объяснению множества аномальных свойств, делающих воду столь важной для биологических и химических процессов.
Переохлажденная вода может существовать в более плотной жидкости с более плотно сжатыми молекулами или в менее плотной жидкости. Исследуя переохлажденную воду лазерами, ученые нашли критическую точку — температуру и давление, при которых две эти фазы становятся одной.
Скрытый объект воды, долгое время находившийся под водой, наконец-то был поднят на поверхность.
Новые эксперименты выявили критическую точку переохлажденной воды — давление и температуру, при которых две фазы воды превращаются в одну. Критическая точка возникает при температуре около 210 градусов Кельвина (около –63° по Цельсию) и примерно в 1000 раз превышающем давление земной атмосферы на уровне моря, сообщают исследователи в журнале *Science* от 26 марта. Это открытие может помочь объяснить некоторые странные свойства вездесущей и чрезвычайно важной жидкости.
Уже известно, что вода имеет критическую точку при высокой температуре. При температуре около 374°C и давлении, в 218 раз превышающем атмосферное, стирается жидкость между жидкой и газовой фазами. В результате этой критической точки вода представляет собой то, что называется сверхкритической жидкостью.
Ученые давно предсказывали, что вторая критическая точка существует при низкой температуре, в переохлажденной воде, а это означает, что она временно остается жидкой ниже нормальной точки замерзания. «В течение 20 или более лет многие люди ждали предварительных доказательств… основанных на экспериментах», — говорит физик Николас Джовамбаттиста из Бруклинского колледжа в Нью-Йорке, который не участвовал в рассмотрении. «Удивительно, что оно наконец пришло».
Некоторые странные свойства воды натолкнули ученых на такую возможность. Например, большинство жидкостей продолжают храниться при охлаждении. Однако температура воды поднимается примерно до 4°C, где она достигает максимума. Ситуация меняется на противоположную: дальнейшее охлаждение делает воду менее плотной. И теплоемкость воды, количество энергии, необходимое для повышения ее температуры до заданной величины, делает аналогичный поворот.
Ученые предположили, что переворачивающиеся свойства могут быть признаком критической точки, раскрывающейся при более низких температурах.
В 2020 году эксперименты доказали, что переохлажденная вода может находиться в двух разных фазах: жидкости высокой и низкой плотности. Считалось, что эти две фазы сливаются в одну в критической зоне, но до сих пор этого не наблюдалось.
Эксперименты при давлении и температуре, близкие к предсказанной критической связи, чрезвычайно сложны. Это царство известно как «ничейная земля», потому что переохлажденная вода там замерзает почти мгновенно. Поэтому физик-химик Андерс Нильссон из Стокгольмского университета и его коллеги обратились к судебной тактике. «Мы должны делать все очень быстро», — говорит Нильссон.
Исследователи приступили к изучению таких образцов, как лед, называемый аморфным льдом, в котором молекулы перемешаны, а не включены в кристаллическую фазу. В ходе экспериментов в ускорительной лаборатории Пхохана в Южной Корее исследователи поражали каждый образец льда небольшим импульсом инфракрасного лазера, чтобы растопить его. Затем, в течение от наносекунд до микросекунд, они исследовали его с помощью лабораторного рентгеновского лазера. Результаты определяют структуру и освещение жидкостей при различных давлениях и температурах.
Снимки только той расплавленной жидкости, которые сделаны с учетом времени по мере расширения воды, как вела себя вода при уменьшении давления в образце. Ниже критических точек при падении давления наблюдался отчет о фазовом переходе из одной жидкости в другую. При более высоких температурах такого перехода между двумя различными жидкостями не было, что свидетельствует о достижении критической точки.
Результаты исследования впечатляют, говорит физик Грег Киммел из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде, штат Вашингтон. «Представленные ими данные представляют собой довольно четкую картину», соответствующую гипотезе критической точки. Однако он отметил, что в работе жидкость достигла состояния равновесия, а это означает, что потоки вещества и энергия успокоились. А поскольку меры были приняты так быстро, неясно, так ли это.
Для Джовамбаттистов, которые всю свою основу тщательного компьютерного моделирования воды и этой критической точки, просто увидят это в первом мире — облегчение. «Это своего рода внутренний мир».