Переохлажденная вода на самом деле представляет собой две жидкости в одной

Первые измерения свидетельствуют о том, что чрезвычайно холодная жидкая вода существует в двух различных сосуществующих структурах, пропорции которых меняются в зависимости от температуры.

Переохлажденная вода — это действительно две жидкости в одной. К такому выводу пришла группа исследователей Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США после проведения первых в истории измерений жидкой воды при температурах намного ниже ее типичной точки замерзания.

Открытие, опубликованное недавно в журнале Science, предоставляет долгожданные экспериментальные данные для объяснения некоторых из странных свойств воды, которые проявляет вода при чрезвычайно низких температурах в космическом пространстве и в отдаленных уголках собственной атмосферы Земли. До сих пор жидкая вода при самых экстремальных температурах была предметом конкурирующих теорий и предположений. Некоторые ученые задаются вопросом, действительно ли вода действительно существует в виде жидкости при температурах до -117,7 F (190 K), или же странное поведение — это просто перестройка воды на ее неизбежном пути в твердое тело.

Аргумент имеет значение, потому что понимание воды, которая покрывает 71% поверхности Земли, имеет решающее значение для понимания того, как она регулирует нашу окружающую среду, наши тела и саму жизнь.

«Мы показали, что жидкая вода при очень низких температурах не только относительно стабильна, но и существует в двух структурных мотивах», — сказал Грег Киммел, физик-химик из PNNL. «Полученные данные объясняют давние споры о том, всегда ли сильно переохлажденная вода кристаллизуется, прежде чем сможет уравновеситься. Ответ — нет.»

Переохлажденная вода: сказка о двух жидкостях

Можно подумать, что мы уже понимаем воду. Это одно из самых распространенных и наиболее изученных веществ на планете. Но несмотря на кажущуюся простоту — два атома водорода и один атом кислорода на молекулу — H2O обманчиво сложен.

Для воды на удивление трудно замерзнуть чуть ниже точки плавления: вода сопротивляется замерзанию, если ей не с чего начать, например, пыли или другого твердого вещества, за которое можно прилипнуть. В чистой воде требуется энергичный толчок, чтобы молекулы образовали особую структуру, необходимую для замерзания. И при замерзании он расширяется, что является странным поведением по сравнению с другими жидкостями. Но именно эта странность поддерживает жизнь на Земле. Если бы кубики льда утонули или водяной пар в атмосфере не сохранял тепло, жизни на Земле, какой мы ее знаем, не существовало бы.

Странное поведение воды занимало физиков-химиков Брюса Кея и Грега Киммеля более 25 лет. Теперь они вместе с докторантами Лони Крингл и Уяттом Торнли достигли важной вехи, которая, как они надеются, расширит наше понимание искривлений, которые могут вызывать молекулы жидкой воды.

Были предложены различные модели для объяснения необычных свойств воды. Новые данные, полученные с помощью некоего покадрового «снимка» переохлажденной воды, показывают, что она может конденсироваться в жидкоподобную структуру высокой плотности. Эта форма с более высокой плотностью сосуществует со структурой с более низкой плотностью, которая больше соответствует типичному связыванию, ожидаемому для воды. Доля жидкости с высокой плотностью быстро уменьшается при повышении температуры от -18,7 F (245 K) до -117,7 F (190 K), что подтверждает предсказания моделей «смеси» для переохлажденной воды.

Крингл и Торнли использовали инфракрасную спектроскопию, чтобы шпионить за молекулами воды, захваченными в своего рода остановленном движении, когда тонкая пленка льда была поражена лазером, создавая переохлажденную жидкую воду на несколько мимолетных наносекунд.

«Ключевое наблюдение заключается в том, что все структурные изменения были обратимыми и воспроизводимыми», — сказал Крингл, проводивший множество экспериментов.

Источник

Метки: вода