Przez dziesięciolecia naukowcy podejrzewali ukrytą właściwość wody – drugi punkt krytyczny w ekstremalnie niskich temperaturach i ogromnym ciśnieniu. Niedawne eksperymenty w końcu potwierdziły to długo przewidywane zjawisko, rzucając światło na to, dlaczego woda zachowuje się tak odmiennie od innych cieczy. To odkrycie, szczegółowo opisane w wydaniu Science z 26 marca, budzi nie tylko zainteresowanie akademickie; wyjaśnia kilka osobliwości wody, które leżą u podstaw jej istotnej roli w biologii, klimacie i niezliczonych procesach przemysłowych.
Drugi punkt krytyczny: wykryto przejście fazowe
Woda już w wysokich temperaturach (około 374°C i ciśnieniu 218 atmosfer) wykazuje dobrze znany punkt krytyczny, w którym zanika rozróżnienie między cieczą a gazem, tworząc płyn nadkrytyczny. Nowe odkrycie wskazuje na drugi punkt krytyczny w temperaturze około -63°C (210 kelwinów) i ciśnieniu 1000 razy wyższym niż poziom morza. W tym momencie dwie różne fazy przechłodzonej wody – forma o dużej i małej gęstości – łączą się w jedną, zacierając istniejące między nimi różnice.
Eksperymenty były złożone: przechłodzona woda ma tendencję do niemal natychmiastowego zamarzania w takich warunkach. Naukowcy pod kierownictwem Andersa Nilssona z Uniwersytetu w Sztokholmie obeszli ten problem, szybko topiąc amorficzny lód (chaotyczną strukturę molekularną) za pomocą laserów na podczerwień, a następnie badając powstałą ciecz za pomocą laserów rentgenowskich w ciągu nanosekund. Obrazy pokazały wyraźne przejście z dwóch różnych faz poniżej punktu krytycznego, ale nie było takiego przejścia w punkcie krytycznym, co potwierdza jego istnienie.
Dlaczego woda jest dziwna: anomalie w gęstości i pojemności cieplnej
Woda wyróżnia się spośród płynów tym, że nie podlega utartym regułom. Większość cieczy staje się gęstsza w miarę ochładzania, ale woda osiąga maksymalną gęstość w temperaturze 4°C, a następnie odwraca bieg: zimniejsza woda staje się mniej gęsta. Podobnie jego pojemność cieplna (ilość energii potrzebnej do jego ogrzania) zmienia się w określonej temperaturze. Anomalie te intrygują naukowców od lat.
Nowy punkt krytyczny dostarcza możliwego wyjaśnienia. Te zachowania związane z „przełączaniem” wskazują na obecność podstawowych przejść fazowych, które zostały obecnie potwierdzone eksperymentami. Prawdopodobną przyczyną tych niezwykłych właściwości jest istnienie dwóch różnych faz ciekłych w niskich temperaturach, łączących się w punkcie krytycznym.
Ulga dla teoretyków: weryfikacja eksperymentalna
Dla fizyków takich jak Nicholas Giovambattista z Brooklyn College, którzy od lat modelują zachowanie wody, potwierdzenie eksperymentalne jest kamieniem milowym. „To jak wewnętrzny spokój” – mówi. Chociaż wyniki są przekonujące, pozostają pytania: badacze zakładają, że ciecz osiąga równowagę wystarczająco szybko, aby możliwe były dokładne pomiary. Biorąc pod uwagę szybkość eksperymentu, założenie to wymaga dalszej weryfikacji.
Potwierdzenie drugiego punktu krytycznego wody jest znaczącym krokiem naprzód w zrozumieniu tej istotnej substancji. Nie tylko rozwiązuje długotrwały spór naukowy, ale także pogłębia naszą wiedzę na temat złożonej fizyki rządzącej zachowaniem wody, co ma daleko idące konsekwencje dla takich dziedzin, jak inżynieria materiałowa i modelowanie klimatu.
