Жидкая вода при температурах значительно ниже нуля имеет два разных варианта расположения молекул, - пишет sciencenews.org со ссылкой на Science.
Молекулы жидкой воды при температурах значительно ниже точки замерзания располагаются двумя способами: либо с высокой плотностью, либо с низкой. Ученые провели эксперимент, предоставляющий новые доказательства этой теории.
Обычно вода замерзает ниже 0° по Цельсию из-за примесей, таких как пыль в воде, на которой могут образовываться кристаллы льда. Но чистая вода, в которой отсутствуют пусковые механизмы кристаллизации, может оставаться жидкой при гораздо более низких температурах, и это явление называется переохлаждением.
В 1990-х годах группа физиков предположила, что при высоких давлениях и очень низких температурах переохлажденная вода распадается на две отдельные жидкости с разной плотностью. При атмосферном давлении, при котором проводился новый эксперимент, переохлажденная вода должна была сохранять некоторые следы такого поведения, что приводило бы к переходному расположению молекул в формациях высокой и низкой плотности.
Хотя эксперименты и намекали на этот эффект, ученые не смогли полностью определить его. «Есть температурный регион, в котором [переохлажденная вода] экспериментально очень трудна для изучения», - говорит Лони Крингл из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде (штат Вашингтон).
При температуре от –113°C до –38°C жидкость кристаллизуется очень быстро, даже если она полностью чистая. Это затрудняет определение ее свойств, поскольку измерения должны проводиться за доли секунды до того, как вода замерзнет.
Теперь Крингл и его коллеги провели такой эксперимент: они нагрели тонкую пленку воды с помощью лазера, а затем быстро охладили жидкость. Попадание на пленку инфракрасным светом показало, как молекулы воды двигаются и образуют структуры. Затем команда повторила этот процесс, чтобы сделать снимки того, как эта структура развивалась с течением времени при нагревании и охлаждении пленки. Это позволило ученым измерить свойства жидкости при температурах, при которых она могла бы быстро кристаллизоваться, если бы находилась там в течение более длительных периодов времени.
Исследователи пришли к выводу, что поведение воды при нагревании и охлаждении можно объяснить сосуществованием двух различных молекулярных структур, как предсказывалось ранее. Однако команда напрямую не измерила плотность этих структур, поэтому требуется дополнительная работа, чтобы подтвердить правильность теории.
«Комбинация методов совершенно новая и оригинальная, - говорит инженер-химик Пабло Дебенедетти из Принстонского университета, который не принимал участия в исследовании.
Лучшее понимание странных свойств переохлажденной воды может помочь ученым понять причуды воды. Например, в отличие от большинства веществ, вода при замерзании расширяется, что делает ее менее плотной, чем ее жидкая форма. Вот почему лед плавает в вашей чашке и стоит на берегу озера, оставляя под собой слой жидкости, который может укрыть водную флору и фауну зимой.
«Вода - очень странная жидкость, - говорит физик Грег Киммел,
соавтор исследования, также работающего в Тихоокеанской
северо-западной национальной лаборатории. - Но все с ней
знакомы, поэтому мы даже не осознаем, насколько это странно».
[Фото: sciencenews.org]
