Десятилетиями учёные подозревали наличие скрытого свойства воды — второй критической точки при чрезвычайно низких температурах и огромном давлении. Недавние эксперименты окончательно подтвердили это давным-давно предсказанное явление, проливая свет на то, почему вода ведёт себя так иначе, чем другие жидкости. Это открытие, подробно описанное в выпуске журнала Science от 26 марта, — это не просто академический интерес; оно объясняет несколько странностей воды, которые лежат в основе её жизненно важной роли в биологии, климате и бесчисленных промышленных процессах.
Вторая критическая точка: обнаружен фазовый переход
Вода уже демонстрирует хорошо известную критическую точку при высоких температурах (около 374°C и давлении в 218 атмосфер), где различие между жидкостью и газом исчезает, образуя сверхкритическую жидкость. Новое открытие указывает на вторую критическую точку при приблизительно -63°C (210 кельвинов) и давлении в 1000 раз выше, чем на уровне моря. В этой точке две различные фазы переохлаждённой воды — высокоплотная и низкоплотная формы — сливаются в одну, стирая их различия.
Эксперименты были сложными: переохлаждённая вода, как правило, замерзает почти мгновенно при таких условиях. Исследователи под руководством Андерса Нильссона из Стокгольмского университета обошли эту проблему, быстро расплавляя аморфный лёд (хаотичную молекулярную структуру) инфракрасными лазерами, а затем исследуя полученную жидкость рентгеновскими лазерами в течение наносекунд. Снимки показали чёткий переход от двух различных фаз ниже критической точки, но такого перехода на критической точке не было, что подтверждает её существование.
Почему вода странная: аномалии плотности и теплоёмкости
Вода выделяется среди жидкостей тем, что не следует обычным правилам. Большинство жидкостей становятся плотнее при охлаждении, но вода достигает максимальной плотности при 4°C, а затем меняет курс: более холодная вода становится менее плотной. Аналогично, её теплоёмкость (количество энергии, необходимое для её нагрева) меняется при определённой температуре. Эти аномалии годами смущали учёных.
Новая критическая точка даёт возможное объяснение. Эти «переключающиеся» поведения указывают на наличие лежащих в основе фазовых переходов, которые теперь подтверждены экспериментами. Существование двух различных жидких фаз при низких температурах, сливающихся в критической точке, вероятно, является причиной этих необычных свойств.
Облегчение для теоретиков: экспериментальная проверка
Для физиков, таких как Николас Джовамбаттиста из Бруклинского колледжа, которые годами моделировали поведение воды, увидеть экспериментальное подтверждение — это веха. «Это как внутренний покой», — говорит он. Хотя результаты убедительны, остаются вопросы: исследователи предполагают, что жидкость достигает равновесия достаточно быстро для точных измерений. Учитывая скорость эксперимента, это предположение требует дальнейшей проверки.
Подтверждение второй критической точки воды — это значительный шаг вперёд в понимании этого незаменимого вещества. Оно не только разрешает давний научный спор, но и углубляет наше понимание сложной физики, которая управляет поведением воды, с далеко идущими последствиями для таких областей, как материаловедение и климатическое моделирование.
