Существуют два жидких состояния воды

Вода, как обычная, так и необходимая для жизни на Земле, ведет себя очень странно по сравнению с другими веществами. То, как свойства воды, такие как плотность, удельная теплоемкость, вязкость и сжимаемость, реагируют на изменения давления и температуры, полностью противоположно другим известным нам жидкостям. Следовательно, воду часто называют «аномальной». Если бы вода вела себя как «нормальная жидкость», нас бы не существовало, поскольку морская жизнь не могла бы развиваться. Однако остается открытым вопрос: что вызывает эти аномалии?

Существуют два жидких состояния воды

Существует ряд объяснений странным свойствам воды, и одно из них предполагает, что вода способна существовать в виде двух разных жидкостей при разных давлениях и низких температурах.

Если бы мы могли держать две жидкости в стакане, они бы разделялись с прозрачной границей раздела между водой и маслом. Обычная вода в наших условиях окружающей среды представляет собой только одну жидкость, и в стакане не будет видно никакой границы раздела фаз, но на молекулярном уровне она колеблется, создавая небольшие локальные области с такой же плотностью, как у двух жидкостей, вызывая странное поведение воды.

Проблема заключалась в том, что невозможно было провести эксперимент при температурах, при которых две жидкости могли бы сосуществовать, поскольку лед образовался бы почти мгновенно. До сих пор было возможно исследовать воду в этих условиях только с использованием различных типов компьютерного моделирования, что приводило к множеству противоречивых результатов в зависимости от используемой модели.

«Что было особенным, так это то, что мы могли делать рентгеновские лучи невообразимо быстро, прежде чем вода замерзла, и могли наблюдать, как одна жидкость превращается в другую», — говорит Андерс Нильссон, профессор химической физики Стокгольмского университета. «В течение десятилетий существовали предположения и различные теории, объясняющие эти аномальные свойства и почему они усиливаются, когда вода становится холоднее. Теперь мы обнаружили, что два жидких состояния реальны и могут объяснить странность воды».

«Я долгое время изучала несколько форм неупорядоченных льдов с целью определить, можно ли их рассматривать как стеклообразное состояние, представляющее замороженную жидкость», — говорит Катрин Аманн-Винкель, старший научный сотрудник по химической физике Стокгольмского университета. «Это сбывшаяся мечта — увидеть, что они действительно представляют собой настоящие жидкости, и мы видим трансформацию между ними».

«Мы работали так тяжело в течение нескольких лет проводить измерения воды при таких условиях низких температур без замораживания и так приятно видеть результат,» говорит Harshad Pathak, исследователь в области химической физики в Стокгольмском университете. «Во всем мире было предпринято множество попыток найти две жидкости, помещая воду в крошечные отсеки или смешивая ее с другими соединениями, но здесь мы можем проследить за ней как за простой чистой водой».

«Мне интересно, могут ли два жидких состояния в виде колебаний быть важным компонентом биологических процессов в живых клетках», — говорит Фивос Перакис, доцент кафедры химической физики Стокгольмского университета. «Новый результат может открыть много новых направлений исследований воды в биологических науках».

«Возможно, одна из жидких форм более заметна для воды в небольших порах внутри мембран, используемых для опреснения воды», — говорит Марджори Лэдд Парада, постдок из Стокгольмского университета. «Я думаю, что доступ к чистой воде станет одной из основных проблем с изменением климата».

«Споры о происхождении странных свойств воды ведутся уже более века с момента появления первых работ Вольфганга Рентгена», — поясняет Андерс Нильссон. «Исследователи, изучающие физику воды, теперь могут остановиться на модели, согласно которой вода может существовать как две жидкости в переохлажденном режиме. Следующий этап — определить, существует ли критическая точка, когда две жидкости пересекаются, чтобы стать только одной жидкостью, поскольку изменения давления и температуры. Большая проблема на ближайшие несколько лет ».

Исследование было проведено в сотрудничестве с университетом POSTECH в Корее, PAL-XFEL в Корее, национальной ускорительной лабораторией SLAC в Калифорнии, Бруклинским колледжем городского университета Нью-Йорка в США и университетом Святого Франциска Ксавьера в Канаде. Среди других людей, которые участвовали в исследовании, были предыдущие члены группы химической физики в Стокгольмском университете — Кюнг Хван Ким, Александр Спах, Даниэль Мариедал, Тобиас Эклунд и Мэтью Вестон.