Новый вид «фазового перехода» в воде был впервые предложен 30 лет назад в исследовании ученых из Бостонского университета. Авторы исследования тогда предположили, что при значительном охлаждении жидкая вода должна разделяться на две формы с разной плотностью.
Однако экспериментально подтвердить эту гипотезу пока не удавалось, потому что переход должен происходить при температурах, когда в нормальных условиях вода превращается в лед. В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи из Бирмингемского университета и университета Сапиенца в Риме приводят доказательства существования «плотной воды».
Физики использовали компьютерное моделирование, чтобы объяснить, какие особенности отличают две жидкости на микроскопическом уровне. Они обнаружили, что молекулы воды в жидкости с высокой плотностью образуют структуры, которые считаются «топологически сложными», такие как узел-трилистник (похоже на крендель) или связь Хопфа (напоминает звенья цепи). Напротив, молекулы в жидкости с низкой плотностью в основном образуют простые кольца, и, следовательно, молекулы в жидкости с низкой плотностью не запутаны.
Компьютерная модель состояния воды с высокой плотностью. Изображение: Andreas Neophytou et al., Nature Physics
Исследователи использовали в своем моделировании коллоидную и молекулярные модели воды. Коллоиды — это частицы, которые могут быть в тысячу раз больше, чем одна молекула воды. Благодаря своему относительно большему размеру и, следовательно, более медленному движению, коллоиды используются для наблюдения и объяснения физических явлений, которые также происходят в гораздо меньших атомных и молекулярных масштабах.
В этой работе мы впервые предлагаем взгляд на фазовый переход жидкость-жидкость, основанный на идеях сетевой запутанности. Я уверен, что эта работа вдохновит на новое теоретическое моделирование, основанное на топологических концепциях.
Франческо Шортино, профессор университета Сапиенца и соавтор исследования
Исследователи полагают, что разработанная ими модель, поможет спроектировать экспериментальные условия для подтверждения фазового перехода в жидкости. Кроме того, они считают, что аналогичные состояния могут наблюдаться и у других веществ, например, кремния.
Читать далее:
Рекордный корональный выброс массы на Бетельгейзе в 400 млрд раз больше солнечного