Исследователи из Стокгольмского университета с помощью рентгеновских лазеров смогли определить существование критической точки в переохлажденной воде при температуре около −63 °C и давлении 1000 атмосфер. Обычная вода при более высоких температурах и более низком давлении сильно подвержена влиянию этой критической точки, что и обуславливает ее необычные свойства. Результаты опубликованы в журнале Science.
Вода ведет себя не так, как большинство жидкостей: ее плотность, удельная теплоемкость, вязкость и сжимаемость реагируют на изменения давления и температуры противоположным образом. Обычно материя сжимается при охлаждении — плотность растет. Но вода имеет максимальную плотность при 4 °C, поэтому в стакане или океане она остается внизу, а лед плавает на поверхности. При охлаждении ниже 4°C вода снова расширяется — и этот процесс ускоряется, если продолжать понижать температуру ниже 0 °C.
Ученые смогли провести эксперимент с рентгеновским излучением очень быстро — быстрее, чем успевает замерзнуть лед. Благодаря этому они впервые увидели, как исчезает переход между двумя жидкими состояниями воды и формируется новое состояние — критическое. Много лет исследователи выдвигали разные теории, чтобы объяснить необычные свойства воды. Одна из гипотез предполагала существование особой критической точки. Теперь эта гипотеза получила подтверждение: ученые доказали, что такая точка действительно есть.
Вода способна существовать в двух жидких макроскопических фазах с разными способами связывания молекул — при низкой температуре и высоком давлении. При повышении температуры и понижении давления различие между фазами исчезает: остается только одна фаза. Это точка нестабильности — флуктуации распространяются на широкий диапазон температур и давлений, включая комнатные условия. Вода как будто колеблется между двумя состояниями и их смесями — именно это и создает ее уникальные свойства. За критической точкой вода переходит в сверхкритическое состояние.
Еще один важный вывод: динамика системы замедляется при приближении к критической точке. По словам ученых, создается впечатление, что из критической точки практически невозможно выйти, если в нее войти, это почти как в черной дыре.
На протяжении более столетия, со времен ранних работ Вольфганга Рентгена, ведутся ожесточенные дебаты о происхождении странных свойств воды. Исследователи, изучающие физику воды, теперь могут прийти к выводу, что вода имеет критическую точку в режиме переохлаждения. Следующая задача на ближайшие несколько лет — выяснить, как эти результаты влияют на значение воды в физических, химических, биологических, геологических и климатических процессах.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что физики случайно сломали жидкость, как хрупкий металл.
