Мы привыкли думать, что жидкая вода — это беспорядочное скопление молекул, которые быстро передвигаются в рамках некоторой структуры. Но ученые Стокгольмского университета обнаружили две фазы этой жидкости с большими различиями в структуре и плотности. Их результаты основаны на экспериментальных исследованиях с использованием рентгеновских лучей и были опубликованы в Трудах Национальной академии наук (PNAS).
Большинство из нас знает, что вода необходима для нашего существования на планете Земля. Но куда менее известно, что у воды есть много странных свойств, которые являются аномальными и не свойственны для других жидкостей. Например, температура плавления, плотность, теплоемкость — в общей сложности есть около 70 свойств воды, отличающих ее от других жидкостей. Эти аномальные свойства, кстати, стали предпосылкой для появления известной нам жизни.
«Новое свойство примечательно тем, что, как выяснилось, вода может существовать в виде двух различных жидкостей при низких температурах, когда лед медленно кристаллизуется», говорит Андерс Нильссон, профессор химической физики в Стокгольмском университете. Прорыв в понимании воды стал возможным благодаря сочетанию исследований с применением рентгенографии в Аргоннской национальной лаборатории возле Чикаго, которая выявила две различные структуры, и большой рентгеновской лаборатории DESY в Гамбурге, где исследовалась динамика и демонстрировалось жидкое состояние обеих фаз. Вода действительно может быть двумя разными жидкостями.
«Крайне интересно использовать рентгеновские лучи для определения относительных позиций молекул в разное время», говорит Фивос Перакис, профессор Стокгольмского университета с опытом работы в области сверхбыстрой оптической спектроскопии. «Мы, в частности, смогли отследить трансформацию образца при низких температурах из одной фазы в другую и показали, что имеет место характерная для жидкостей диффузия».
Когда мы задумываемся о льде, чаще всего он представляется как упорядоченная кристаллическая фаза воды, будто из холодильника, но самой распространенной формой льда в нашей планетарной системе является аморфная, то есть неупорядоченная форма. И существует две формы аморфного льда с низкой и высокой плотностью. Эти две формы могут переходить одна в другую, и были предположения, что они могут быть связаны с формами жидкой воды низкой и высокой плотности. Проверить эту гипотезу экспериментально пытались давно, и стокгольмской группе это, наконец, удалось.
«Я изучала аморфные льды долгое время, пытаясь определить, можно ли рассматривать их как стекловидное состояние, представленное замороженной жидкостью», говорит Катрин Аманн-Винкель, исследователь в области химической физики в Стокгольмском университете. «Мечта становится реальностью, когда я получаю возможность в мельчайших подробностях наблюдать, как стекловидная форма воды превращается в вязкую жидкость, которая, в свою очередь, почти мгновенно превращается в другую, еще более вязкую жидкость с меньшей плотностью».
То, что вода продолжает нас удивлять, совершенно невероятно. Чем еще могут быть обусловлены ее странные свойства, помимо перехода между разными фазами?
«Новые результаты говорят о том, что вода при комнатной температуре не может определиться, в какой из двух форм ей быть, высокой или низкой плотности, что приводит к локальным колебаниям между двумя фазами», говорит Ларс Петтерссон, профессор теоретической химической физики в Стокгольмском университете. «Короче говоря: вода — это не одна сложная жидкость, а две простых жидкости со сложными отношениями».
Эти новые результаты не только создают общее представление о воде при различных температурах и давлениях, но и о том, как на нее влияют соль и биомолекулы, необходимые для жизни. Кроме того, чем больше мы узнаем о воде, тем лучше понимаем, как ее очищать и опреснять в будущем. Эту проблемы было бы хорошо решить на фоне надвигающегося глобального климатического кризиса