Po celá desetiletí vědci předpokládali skrytou vlastnost vody – druhý kritický bod při extrémně nízkých teplotách a obrovském tlaku. Nedávné experimenty konečně potvrdily tento dlouho předpovídaný jev a objasnily, proč se voda chová tak odlišně od ostatních kapalin. Tento objev, podrobně popsaný ve vydání Science z 26. března, není jen akademickým zájmem; vysvětluje několik zvláštností vody, které jsou základem její zásadní role v biologii, klimatu a nesčetných průmyslových procesech.
Druhý kritický bod: zjištěn fázový přechod
Voda již vykazuje dobře známý kritický bod při vysokých teplotách (asi 374 °C a tlaku 218 atmosfér), kde mizí rozdíl mezi kapalinou a plynem a vytváří superkritickou tekutinu. Nový objev ukazuje na druhý kritický bod při přibližně -63 °C (210 Kelvinů) a tlaku 1000krát vyšším než je hladina moře. V tomto okamžiku se dvě různé fáze podchlazené vody – formy s vysokou a nízkou hustotou – spojují do jedné a smazávají jejich rozdíly.
Experimenty byly složité: přechlazená voda má za těchto podmínek tendenci téměř okamžitě zmrznout. Výzkumníci vedení Andersem Nilssonem ze Stockholmské univerzity tento problém obešli tak, že rychle rozpustili amorfní led (chaotická molekulární struktura) pomocí infračervených laserů a poté zkoumali výslednou kapalinu rentgenovými lasery během nanosekund. Obrázky ukázaly jasný přechod ze dvou různých fází pod kritickým bodem, ale žádný takový přechod v kritickém bodě nebyl, což potvrzuje jeho existenci.
Proč je voda divná: anomálie v hustotě a tepelné kapacitě
Voda mezi kapalinami vyniká, protože se neřídí běžnými pravidly. Většina kapalin se při ochlazování stává hustší, ale voda dosahuje své maximální hustoty při 4 °C a poté obrátí směr: studenější voda se stává méně hustou. Stejně tak se při určité teplotě mění jeho tepelná kapacita (množství energie potřebné k jeho zahřátí). Tyto anomálie mátly vědce už léta.
Nový kritický bod poskytuje možné vysvětlení. Toto “přepínací” chování naznačuje přítomnost základních fázových přechodů, které byly nyní potvrzeny experimenty. Příčinou těchto neobvyklých vlastností je pravděpodobně existence dvou různých kapalných fází při nízkých teplotách, které se v kritickém bodě spojují.
Úleva pro teoretiky: experimentální ověření
Pro fyziky, jako je Nicholas Giovambattista z Brooklyn College, kteří léta modelují chování vody, je vidět experimentální potvrzení milníkem. “Je to jako vnitřní mír,” říká. I když jsou výsledky přesvědčivé, zůstávají otázky: Výzkumníci předpokládají, že kapalina dosáhne rovnováhy dostatečně rychle pro přesná měření. Vzhledem k rychlosti experimentu vyžaduje tento předpoklad další ověření.
Potvrzení druhého kritického bodu vody je významným krokem vpřed v pochopení této základní látky. Nejen, že řeší dlouhodobý vědecký spor, ale také prohlubuje naše chápání složité fyziky, která řídí chování vody, s dalekosáhlými důsledky pro obory, jako je materiálová věda a modelování klimatu.
