Десятиліттями вчені підозрювали наявність прихованої властивості води – другої критичної точки при надзвичайно низьких температурах та величезному тиску. Недавні експерименти остаточно підтвердили це давним-давно передбачене явище, проливаючи світло на те, чому вода поводиться так інакше, ніж інші рідини. Це відкриття, докладно описане у випуску журналу Science від 26 березня, — це не просто академічний інтерес; воно пояснює кілька дивно води, які лежать в основі її життєво важливої ролі в біології, кліматі та незліченних промислових процесах.
Друга критична точка: виявлено фазовий перехід
Вода вже демонструє добре відому критичну точку при високих температурах (близько 374°C і тиску 218 атмосфер), де різниця між рідиною і газом зникає, утворюючи надкритичну рідину. Нове відкриття вказує на другу критичну точку приблизно -63°C (210 кельвінів) і тиску в 1000 разів вище, ніж на рівні моря. У цій точці дві різні фази переохолодженої води – високощільна і низькощільна форми – зливаються в одну, стираючи їх відмінності.
Експерименти були складними: переохолоджена вода, як правило, замерзає майже миттєво за таких умов. Дослідники під керівництвом Андерса Нільсона зі Стокгольмського університету обійшли цю проблему, швидко розплавляючи аморфний лід (хаотичну молекулярну структуру) інфрачервоними лазерами, а потім досліджуючи отриману рідину рентгенівськими лазерами протягом наносекунд. Знімки показали точний перехід від двох різних фаз нижче критичної точки, але такого переходу на критичній точці не було, що підтверджує її існування.
Чому вода дивна: аномалії щільності та теплоємності
Вода виділяється серед рідин тим, що не дотримується звичайних правил. Більшість рідин стають щільнішими при охолодженні, але вода досягає максимальної щільності при 4°C, а потім змінює курс: холодніша вода стає менш щільною. Аналогічно, її теплоємність (кількість енергії, необхідне її нагріву) змінюється за певної температури. Ці аномалії роками бентежили вчених.
Нова критична точка дає можливе пояснення. Ці «перемикаються» поведінки вказують на наявність фазових переходів, що лежать в основі, і які тепер підтверджені експериментами. Існування двох різних рідких фаз за низьких температур, що зливаються в критичній точці, ймовірно, є причиною цих незвичайних властивостей.
Полегшення для теоретиків: експериментальна перевірка
Для фізиків, таких як Ніколас Джовамбаттіста з Бруклінського коледжу, які роками моделювали поведінку води, побачити експериментальне підтвердження – це віха. “Це як внутрішній спокій”, – говорить він. Хоча результати переконливі, залишаються питання: дослідники припускають, що рідина досягає рівноваги досить швидко для точних вимірів. З огляду на швидкість експерименту це припущення вимагає подальшої перевірки.
Підтвердження другої критичної точки води – це значний крок уперед у розумінні цієї незамінної речовини. Воно не тільки дозволяє давню наукову суперечку, а й поглиблює наше розуміння складної фізики, яка керує поведінкою води, з далекосяжними наслідками для таких областей, як матеріалознавство та кліматичне моделювання.
