Шутка о том, что вода «очень мокрая», может оказаться реальностью. Со школьной скамьи нам известно, что вещество может находиться в трёх состояниях: твёрдом (как лёд), жидком (как вода при комнатной температуре) или газообразном (как водяной пар).

вода, состояние воды, три состояния вещества, жидкое состояние, фаза, фазовое поведение, лед, пар

Но не всё так просто. У одного и того же вещества бывает много твёрдых состояний. Они отличаются тем, как атомы расположены друг относительно друга. А уж отсюда могут проистекать различия в самых разных свойствах: плотности, прочности, прозрачности и… рыночной стоимости. Например, графит и алмаз – два разных твёрдых состояния углерода, а между тем их очень трудно спутать, и ещё труднее превратить первое во второе.

 

У воды тоже есть несколько твёрдых состояний. Этих разновидностей льда больше десятка. Но лишь одна модификация образуется на поверхности Земли естественным образом. Остальные получаются либо в лаборатории, либо в экзотических уголках вроде земных недр.

Но несколько десятилетий назад теоретики выдвинули гипотезу, что и жидких состояний у этого привычного нам вещества больше одного.

 

вода, состояние воды, три состояния вещества, жидкое состояние, фаза, фазовое поведение, лед, пар
 

И вот, международная группа исследователей доказала, что вода может существовать в двух разных жидких состояниях - открытие, которое объяснит многие аномальные свойства воды. Результаты исследования опубликованны в журнале Science.

 

 

Два жидких состояния воды

Обычное «жидкое» состояние воды, с которым мы все знакомы, соответствует воде при нормальной температуре (примерно 25°C). 

Новое исследование,  проведенное Андерсом Нильссоном, профессором химической физики Стокгольмского университета, показывает, что вода при низких температурах (примерно -63°C) существует в двух отдельных жидких состояниях. 

 

Два жидких состояния воды, выделенных в ходе исследования, - это жидкость с низкой плотностью при низком давлении и жидкость с высокой плотностью при высоком давлении.

 

Два разных состояния имеют заметно разные свойства и отличаются на 20% по плотности. Новые результаты предполагают, что в очень специфических условиях вода должна существовать в виде двух несмешивающихся жидкостей, разделенных тонкой границей раздела, аналогичной тому, как жидкость ведет себя при смешивании с водой.

вода, состояние воды, три состояния вещества, жидкое состояние, фаза, фазовое поведение, лед, пар

 Глубоко переохлажденная вода претерпевает переход между формами с высокой и низкой плотностью, этот переход трудно исследовать экспериментально, поскольку он происходит в условиях, в которых кристаллизация льда происходит чрезвычайно быстро.

 

Предположение  о том, что вода может существовать в двух разных жидких состояниях, было озвучено еще 30 лет назад на основе результатов компьютерного моделирования», - пояснил в пресс-релизе https://phys.org/news/2020-11-multiple-liquid-states.html Николас Джовамбаттиста (Nicolas Giovambattista),  профессор CUNY, который работал над исследованием .  

 

«Эта противоречащая интуиции гипотеза была одним из наиболее важных вопросов в химии и физике воды и противоречивым сценарием с самого начала. Это потому, что эксперименты, в результате которых которые можно получить воду в  двух жидкиъ состояниях, были очень сложными из-за очевидно неизбежного образование льда в условиях, при которых должны существовать две жидкости», - пишет Джовамбаттиста.

 

 

Научно-фантастические эксперименты

Эксперименты, описанные Джовамбаттистой как «научно-фантастические», были настолько сложными, что, по мнению исследователей, некоторые значения можно было прочитать только с помощью компьютерного моделирования.

 

В исследовании были использованы комбинированные рентгеновские лазеры для быстрого определения структуры с инфракрасными фемтосекундными импульсами для быстрого нагрева слоев аморфного льда, сформированных при температуре около 73°C. В процессе нагрева создавалась жидкая вода высокой плотности при повышенном давлении. По мере того, как слой расширялся и разжимался, своеобразных пузырей жидкости с низкой плотностью, которые росли в диапазоне времени от 20 нс до 3 мкс.

 

Объемные образцы переохлажденной жидкой воды под давлением были приготовлены путем изохорного нагрева аморфного льда высокой плотности до температур 68±10°C кельвинов с использованием инфракрасного фемтосекундного лазера. Поскольку плотность образца сохраняется во время сверхбыстрого нагрева, есть возможность оценить начальное внутреннее давление от 2,5 до 3,5 кбар в жидкой фазе с высокой плотностью. После нагрева образец быстро расширился, и был зафиксирован результирующий процесс декомпрессии с помощью фемтосекундных лазерных импульсов рентгеновского излучения при различных временах задержки накачки и зонда. Произошло прерывистое структурное изменение, при котором жидкие домены с низкой плотностью появились и выросли во времени от 20 нс до 3 мкс, тогда как кристаллизация происходит в масштабах времени от 3 до 50 мкс.

 

Поскольку вода важна для нашей жизни и многих технологий и наук, на которые мы полагаемся, из этого следует, что открытие двух отдельных жидких состояний воды может повлиять на многочисленные научные и инженерные приложения. Команда исследователей заявляет, что их новые открытия еще больше побудили их начать новые исследования в поисках потенциальных приложений.

 

 

Поскольку вода является одним из важнейших веществ на Земле - растворителем жизни, какой мы ее знаем, - ее фазовое поведение играет фундаментальную роль в различных областях, включая биохимию, климат, криоконсервацию, криобиологию, материаловедение и во многих промышленных процессах, где вода действует как растворитель, продукт, реагент или примесь. Отсюда следует, что необычные характеристики фазового поведения воды, такие как наличие двух жидких состояний, могут повлиять на многочисленные научные и инженерные приложения.

 

Остается открытым вопрос, как присутствие двух жидкостей может повлиять на поведение водных растворов в целом и, в частности, как эти две жидкости могут влиять на биомолекулы в водной среде.

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!