Вода может существовать в нескольких жидких состояниях
Американские ученые впервые получили переохлажденную воду, которая не замерзает при температуре минус 68 градусов Цельсия. Ее изучение позволило доказать, что вода на самом деле состоит как минимум из двух разных типов жидкости, обладающих разными физическими свойствами. Об этом в четверг сообщила пресс-служба Городского университета Нью-Йорка (CUNY) со ссылкой на статью в журнале Science.
"Теоретики, пытаясь объяснить некоторые аномальные свойства воды при помощи расчетов на суперкомпьютерах, 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", - заявил профессор CUNY Николас Джовамбаттиста, слова которого приводит пресс-служба вуза.
Долгое время ученые считали, что вода может находиться лишь в одном состоянии в жидком виде. 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.
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 минус 60 градусов Цельсия), при которых она находится в так называемом переохлажденном виде. Как правило, воду можно удерживать в жидком состоянии при температурах, не превышающих минус 48 градусов Цельсия, 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.
