Физики впервые на практике продемонстрировали, что жидкая вода действительно имеет две различные фазовые формы, различия между которыми исчезают при охлаждении до температуры в минус 58−66 градусов Цельсия и при сжатии до давления в 800−1000 атмосфер.
Это открытие объясняет многие загадки в свойствах и поведении жидкой воды. «Аномалии в поведении воды вызывают активные дискуссии уже более века, начиная с первых опытов Вольфганга Рентгена. Открытие ранее неизвестной критической точки, присущей сверхохлажденной воде, помогает разрешить множество этих вопросов. Теперь нам предстоит выяснить, как эти удивительные качества жидкой воды влияют на различные физические, химические, биологические и геологические процессы», — заявил профессор Стокгольмского университета Андерс Нильссон.
Как подчеркивают исследователи, долгое время считалось, что вода может находиться только в одном состоянии в жидком виде. Однако в 2020 году эксперименты со сверхохлажденной водой показали, что она существует в двух формах, обладающих различной плотностью, теплоемкостью и другими физическими свойствами.
Разделить эти формы воды, которые физики назвали «жидкостью высокой плотности» и «жидкостью низкой плотности», оказалось крайне сложно, что мешало исследователям определить, как они формируются и есть ли у них так называемая критическая точка. Так называют особые сочетания температуры и давления, при которых различия в свойствах разных фазовых состояний вещества исчезают, например, между водяным паром и жидкостью или льдом и паром.
Новая «критическая точка» для воды
Учёные впервые подтвердили наличие этой точки для двух форм жидкой воды и определили её расположение, проводя эксперименты с помощью мощных рентгеновских лазеров и двумя формами твердой воды — аморфным льдом высокой и низкой плотности. В отличие от обычного льда, молекулы которого организованы в кристаллы, аморфный лед имеет беспорядочную структуру, что влияет на его плотность, теплоемкость и другие характеристики.
Физики из Европы, Южной Кореи и Канады установили, что сверхбыстрый нагрев обоих видов аморфного льда с помощью коротких вспышек рентгена приводит к образованию особой фазовой формы воды, в которой различия между ее двумя жидкими формами исчезают. Это происходит, если жидкость находится при температуре в минус 58−63 градуса Цельсия и сжата до давления примерно 800−1000 атмосфер. Даже незначительные колебания температуры и давления от этой точки вызывают спонтанное формирование и «перемешивание» жидкостей высокой и низкой плотности.
Как отмечают ученые, результаты их экспериментов в целом согласуются с теоретическими моделями и данными косвенных измерений характеристик жидкой воды высокой и низкой плотности. Подтверждение этих теорий позволяет объяснить множество аномалий в свойствах воды, включая необычные изменения в ее плотности при охлаждении до температуры в 0−4 градуса Цельсия, низкую плотность льда и другие необычные особенности, не присущие другим жидкостям на Земле и в космосе.
Фото: hi-tech.mail.ru