Международная команда ученых экспериментально подтвердила гипотезу 30-летней давности. Ученые показали, что вода может существовать в виде двух жидкостей разной плотности, которые при определенных условиях не смешиваются друг с другом. Результаты эксперимента описаны в журнале Science. Новость появилась на портале EurekAlert!.
Всем нам известно, что у воды три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное. Однако в последние годы ученые начали получать доказательства того, что некоторые состояния существуют не в одной форме. Так, физик Перси Бриджмен открыл несколько кристаллических форм водяного льда – и некоторые из них (так называемый «суперионный» лед) ученым даже удалось получить в лаборатории. Конечно, такие формы могут получиться только при определенных условиях, и в естественном состоянии лед образуется на Земле только в одном виде.
Около 30 лет назад компьютерное моделирование показало, что и у жидкого состояния воды есть несколько состояний. «Эта противоречащая интуиции гипотеза была одним из самых важных вопросов в химии и физике воды. С самого начала она выглядела как противоречивый сценарий. Это связано с тем, что эксперименты, которые могут получить доступ к двум жидким состояниям воды, были очень сложными из-за очевидно неизбежного образования льда в условиях, в которых должны существовать две жидкости», – отметил Николас Джовамбаттиста, профессор Центра выпускников Университета Нью-Йорка и заведующий кафедрой физики Бруклинского колледжа, один из авторов данного исследования.
«Обычное» жидкое состояние воды, с которым мы все знакомы, соответствует жидкой воде при нормальной температуре (примерно 25 градусов по Цельсию). «Аномальная» же вода образуется при низких температурах (примерно -63 градуса по Цельсию) и существует в двух различных жидких состояниях: жидкость с низкой плотностью при низком давлении и жидкость с высокой плотностью при высоком давлении. Эти две жидкости имеют заметно разные свойства и отличаются по плотности на 20%. При соответствующих условиях эти две формы воды не должны смешиваться. Между ними должна быть тонкая граница раздела, как между обычной водой и нефтью, например.
Такое состояние воды практически неуловимо: ведь при -63 градусах вода неизбежно превращается в лед. Однако авторы исследования смогли его «поймать». Они использовали два фемтосекундных лазера: инфракрасный и ренгеновский. С помощью первого ученые быстро нагрели лед, чтобы превратить его в живую воду. В процессе нагрева создавалась жидкая вода высокой плотности при повышенном давлении. За этим состоянии ученые наблюдали с помощью второго лазера. Они заметили, что образуются пузырьки жидкости, содержащие «аномальную» воду. Пузырьки появились всего на миг, который длился от 20 наносекунд до трех микросекунд.
Для чего нужно знать о других жидких состояниях воды? Поскольку вода является одним из важнейших веществ на Земле, ее фазовое поведение играет фундаментальную роль в различных областях, включая биохимию, климатологию, криоконсервацию, криобиологию, материаловедение и многие другие области промышленности. Во многих процессах вода действует как растворитель, продукт, реагент или примесь. Отсюда следует, что необычные характеристики фазового поведения воды, такие как наличие двух жидких состояний, могут повлиять на многочисленные научные и инженерные приложения.
[Иллюстрация: JERKER LOKRANTZ AND ANDERS NILSSON]
