Переохлажденная вода — это две жидкости в одной. К такому выводу пришли американские исследователи после проведения первых в истории измерений жидкой воды при температурах намного ниже ее обычной точки замерзания. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Несмотря на чрезвычайно широкую распространенность, вода как химическое вещество до сих до конца не изучена. Ученые иногда называют ее самой загадочной субстанцией на Земле.
Дело в том, что вода не похожа на другие жидкости — при замерзании она расширяется, а не сжимается, как все остальные, ее плотность при этом уменьшается. Поэтому водяной лед не тонет, а плавает на поверхности. У воды высокая температура кипения и она прекрасный растворитель, поэтому в ней, при различных условиях, растворяется большинство органических и неорганических веществ. И, наконец, у нее огромный коэффициент поверхностного натяжения. Благодаря всем этим уникальным свойствам вода стала основой жизни на Земле.
Есть у воды еще одно интересное качество — она очень «неохотно» замерзает. Если другие жидкости начинают переходить в твердое состояние постепенно, сразу после того, как проходят точку замерзания, то вода «сопротивляется» до последнего. И для начала затвердевания ей всегда нужны ядра кристаллизации — взвешенные частицы минерального или органического происхождения.
Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США решили проверить, если таких частиц не будет, до какой температуры вода останется жидкой.
Известно, что в облаках вода может присутствовать в виде переохлажденных капель даже при очень низких температурах, а потом, когда сверху, из более высоких и холодных слоев, в эти облака попадает мелкая ледяная пыль, капли моментально кристаллизуются и выпадают на землю в виде ледяной крупы или града.
Ученые в лаборатории разрушили лазером тонкую ледяную пленку, создав переохлажденную жидкую воду, а затем с помощью инфракрасной спектроскопии отследили все мельчайшие этапы ее преобразований в интервале температур от 135 до 245 кельвинов — от минус 138 до минус 28 градусов Цельсия.
На «стоп-кадрах» фазовых состояний ученые увидели, что при переохлаждении вода конденсируется в плотную жидкую фазу, которая продолжает сосуществовать с обычной жидкой фазой. При этом доля жидкости с высокой плотностью быстро уменьшается при повышении температуры от 190 до 245 кельвинов.
«Мы показали, что жидкая вода при очень низких температурах не только относительно стабильна, но и существует в двух структурных формах, — приводятся в пресс-релизе слова одного из авторов исследования Грега Киммела (Greg Kimmel). — Полученные данные позволяют разрешить давний спор о том, всегда ли глубоко переохлажденная вода кристаллизуется, прежде чем она уравновесится. Ответ — нет».
Авторы впервые экспериментально доказали, что переохлажденная вода может находиться в стабильном двухфазном жидко-жидком состоянии, а соотношение фаз варьирует в зависимости от температуры. Раньше считалось, что при переохлаждении вода неизбежно со временем переходит в твердое состояние.