Вода имеет три физических состояния — жидкость, твердое тело (лед) и газ (пар) - и находится в одном или другом из этих состояний в зависимости от температуры и давления окружающей среды. При охлаждении она превращается в лед, но знаете ли вы, что вода может оставаться жидкой как минимум до -48 °C? Этот процесс может включать промежуточное состояние, называемое переохлаждением, при котором вода может даже находиться в двух различных жидких формах, но пределы этого пока плохо изучены. Новое исследование позволяет нам лучше охарактеризовать этот фазовый переход жидкость-жидкость.
Вода на самом деле очень странная по сравнению с другими жидкостями. Начнем с того, что менее плотный водяной лед плавает поверх жидкой воды, максимальная плотность которой наблюдается при 4 °С (когда большинство твердых тел погружается в свою жидкую форму). В жидком состоянии она состоит из набора молекул воды (H2O), удерживаемых вместе водородными связями. В зависимости от температуры и давления водяной лед может принимать не менее 16 различных кристаллических форм. Но самое интересное в воде то, что она может быть охлаждена до температуры значительно ниже 0 °C, не превращаясь при этом в лед.
Переохлаждение — это особо нестабильное состояние, при котором вода остается в жидкой фазе, когда ее температура ниже точки застывания. Исследование, опубликованное в журнале Nature в 2011 году, показало, что переохлажденная жидкая вода становится льдом только при температуре -48 °C. В этот момент молекулярная структура воды изменяется, образуя набор тетраэдров (каждая молекула воды связана с четырьмя другими). Новый тип фазового перехода, объясняющий такое поведение, был впервые предложен 30 лет назад в исследовании ученых из Бостонского университета. В новом исследовании представлены доказательства существования фазового перехода жидкость-жидкость, происходящего в условиях переохлаждения.
Две более или менее плотные жидкие формы
Согласно теории, предложенной 30 лет назад для объяснения происхождения термодинамических аномалий воды, в переохлажденной области фазовой диаграммы воды существует линия фазового перехода первого рода жидкость-жидкость. Эта линия разделяла бы две жидкие фазы, образованные сетью переходных водородных связей — жидкость низкой плотности (LDL) и жидкость высокой плотности (HDL) — и заканчивалась бы в критической точке жидкость-жидкость.
Если в условиях переохлаждения существуют два жидких состояния, то их очень трудно наблюдать экспериментально: при таких низких температурах вода находится в метастабильном состоянии, и малейшее возмущение может вызвать затвердевание. Поэтому команда использовала компьютерное моделирование, чтобы определить, какие характеристики отличают две жидкости на микроскопическом уровне.
В своем моделировании исследователи использовали коллоидную модель воды, а затем две распространенные молекулярные модели воды. Коллоиды — это частицы, которые могут быть в тысячу раз больше, чем одна молекула воды; в результате они движутся медленнее и поэтому часто используются для наблюдения и понимания физических явлений, происходящих в атомном и молекулярном масштабах. "Эта коллоидная модель воды служит увеличительным стеклом для наблюдения за молекулярной водой и позволяет нам раскрыть секреты воды по отношению к обеим жидкостям", — сказал доктор Двайпаян Чакрабарти, профессор Школы химии Бирмингемского университета и соавтор .
Запутывание, которое можно наблюдать в других жидкостях
Они обнаружили, что молекулы воды в жидкости высокой плотности образуют соединения, которые считаются "топологически сложными", например, в форме кренделя или двух звеньев стальной цепи (звено Хопфа). В этом случае говорят, что молекулы жидкости высокой плотности запутаны. В отличие от этого, молекулы жидкости низкой плотности образуют в основном одиночные кольца и поэтому не запутываются.
Таким образом, недавно обнаруженный фазовый переход жидкость-жидкость (LLPT) представляет собой переход от "неспутанных" молекулярных сетей к "запутанным" сетям, состоящим из набора топологически сложных узоров. Это как если бы молекулы воды при очень низких температурах скручивались в узлы и не превращались в лед.
"В этой работе мы впервые предлагаем видение фазового перехода жидкость-жидкость, основанное на идеях сетевой запутанности. Я уверен, что эта работа вдохновит на новое теоретическое моделирование, основанное на топологических концепциях", — резюмирует профессор Франческо Сциортино из Римского университета "Ла Сапиенца", принимавший участие в этом исследовании. Сциортино был частью команды, которая впервые предложила существование LLPT в 1992 году.
Команда надеется, что разработанная ими модель проложит путь для новых экспериментов, которые подтвердят теорию и распространят концепцию запутанных жидкостей на другие жидкости, такие как кремний. Знания о топологическом поведении воды и других жидкостей в таких экстремальных условиях могут также дать представление об активности материи на других планетах.