Ученые смогли разделить воду на две разные жидкости
Мы привыкли думать, что жидкая вода — это беспорядочное скопление молекул, которые быстро передвигаются в рамках некоторой структуры. Но ученые Стокгольмского университета обнаружили две фазы этой жидкости с большими различиями в структуре и плотности. Их результаты основаны на экспериментальных исследованиях с использованием рентгеновских лучей и были опубликованы в Трудах Национальной академии наук (PNAS).
Большинство из нас знает, что вода необходима для нашего существования на планете Земля. Но куда менее известно, что у воды есть много странных свойств, которые являются аномальными и не свойственны для других жидкостей. Например, температура плавления, плотность, теплоемкость — в общей сложности есть около 70 свойств воды, отличающих ее от других жидкостей. Эти аномальные свойства, кстати, стали предпосылкой для появления известной нам жизни.
Добавить в заметки чтобы посмотреть позже?«Новое свойство примечательно тем, что, как выяснилось, вода может существовать в виде двух различных жидкостей при низких температурах, когда лед медленно кристаллизуется», говорит Андерс Нильссон, профессор химической физики в Стокгольмском университете. Прорыв в понимании воды стал возможным благодаря сочетанию исследований с применением рентгенографии в Аргоннской национальной лаборатории возле Чикаго, которая выявила две различные структуры, и большой рентгеновской лаборатории DESY в Гамбурге, где исследовалась динамика и демонстрировалось жидкое состояние обеих фаз. Вода действительно может быть двумя разными жидкостями.
«Крайне интересно использовать рентгеновские лучи для определения относительных позиций молекул в разное время», говорит Фивос Перакис, профессор Стокгольмского университета с опытом работы в области сверхбыстрой оптической спектроскопии. «Мы, в частности, смогли отследить трансформацию образца при низких температурах из одной фазы в другую и показали, что имеет место характерная для жидкостей диффузия».
Когда мы задумываемся о льде, чаще всего он представляется как упорядоченная кристаллическая фаза воды, будто из холодильника, но самой распространенной формой льда в нашей планетарной системе является аморфная, то есть неупорядоченная форма. И существует две формы аморфного льда с низкой и высокой плотностью. Эти две формы могут переходить одна в другую, и были предположения, что они могут быть связаны с формами жидкой воды низкой и высокой плотности. Проверить эту гипотезу экспериментально пытались давно, и стокгольмской группе это, наконец, удалось.
«Я изучала аморфные льды долгое время, пытаясь определить, можно ли рассматривать их как стекловидное состояние, представленное замороженной жидкостью», говорит Катрин Аманн-Винкель, исследователь в области химической физики в Стокгольмском университете. «Мечта становится реальностью, когда я получаю возможность в мельчайших подробностях наблюдать, как стекловидная форма воды превращается в вязкую жидкость, которая, в свою очередь, почти мгновенно превращается в другую, еще более вязкую жидкость с меньшей плотностью».
То, что вода продолжает нас удивлять, совершенно невероятно. Чем еще могут быть обусловлены ее странные свойства, помимо перехода между разными фазами?
«Новые результаты говорят о том, что вода при комнатной температуре не может определиться, в какой из двух форм ей быть, высокой или низкой плотности, что приводит к локальным колебаниям между двумя фазами», говорит Ларс Петтерссон, профессор теоретической химической физики в Стокгольмском университете. «Короче говоря: вода — это не одна сложная жидкость, а две простых жидкости со сложными отношениями».
Эти новые результаты не только создают общее представление о воде при различных температурах и давлениях, но и о том, как на нее влияют соль и биомолекулы, необходимые для жизни. Кроме того, чем больше мы узнаем о воде, тем лучше понимаем, как ее очищать и опреснять в будущем. Эту проблемы было бы хорошо решить на фоне надвигающегося глобального климатического кризиса.