Физики впервые экспериментально подтвердили, что жидкая вода может существовать в двух разных фазовых состояниях. Различия между ними исчезают, если воду охладить до температуры примерно от минус 58 до минус 66 градусов Цельсия и одновременно сжать до давления около 800-1000 атмосфер. Об этом сообщили в Стокгольмском университете.
Как отметил профессор Стокгольмского университета Андерс Нильссон, необычные свойства воды вызывают споры среди ученых уже больше ста лет, еще со времен первых опытов Вильгельма Рентгена. По его словам, обнаружение новой критической точки, характерной для сверхохлажденной воды, помогает объяснить многие из этих разногласий. Теперь исследователям предстоит выяснить, как эти особенности жидкой воды влияют на физические, химические, биологические и геологические процессы.
Долгое время считалось, что вода в жидком состоянии может находиться только в одной форме. Однако в 2020 году эксперименты со сверхохлажденной водой показали, что у нее есть две жидкие формы. Они отличаются друг от друга плотностью, теплоемкостью и рядом других физических характеристик. Эти состояния получили названия жидкости высокой плотности и жидкости низкой плотности.
Разделить эти две формы воды оказалось крайне трудно. Поэтому ученые долго не могли понять, как именно они возникают и существует ли для них критическая точка. Так называют особое сочетание температуры и давления, при котором исчезают различия между разными фазами вещества.
Чтобы проверить это, исследователи использовали сверхмощные рентгеновские лазеры и две формы твердой воды — аморфный лед высокой и низкой плотности. В отличие от обычного льда, где молекулы образуют кристаллическую структуру, в аморфном льде они расположены беспорядочно. Из-за этого меняются его плотность, теплоемкость и другие свойства.
Ученые из Европы, Южной Кореи и Канады установили, что при сверхбыстром нагреве обеих форм аморфного льда короткими рентгеновскими вспышками возникает особое состояние воды. В нем различия между двумя жидкими формами исчезают. Это происходит при температуре около минус 58-63 градусов Цельсия и давлении примерно 800-1000 атмосфер. Если температура или давление хотя бы немного отклоняются от этих значений, жидкости высокой и низкой плотности начинают самопроизвольно формироваться и смешиваться.
По словам исследователей, полученные результаты в целом совпали с теоретическими расчетами и данными непрямых измерений свойств воды высокой и низкой плотности. Подтверждение этих представлений помогает объяснить многие необычные свойства воды, в том числе то, как меняется ее плотность при охлаждении до 0-4 градусов Цельсия, а также низкую плотность льда и другие особенности, которые не характерны для большинства других жидкостей.