Вченим вдалося зафіксувати переохолоджену воду у двох рідких станах: з низькою щільністю за низького тиску та з високою щільністю за високого тиску. Їм вдалося піймати перехід рідина-рідина до того, як вода перетворилася на лід, та тим самим практично довести таку фазову поведінку. Це дослідження може прямо вплинути на поведінку водних розчинів загалом та на сфери, де вода виступає головним компонентом, повідомляють хіміки у статті, опублікованій у журналі Science.
Звідки у води два різні фазові стани?
Насправді вчені давно намагаються віднайти у воді ще один рідкий стан - єдине, що могло б пояснити різницю між її ізотермічною стисливістю та теплоємністю. Одним із припущень було існування переходу рідина-рідина (a liquid-liquid transition, LLT) в переохолодженій воді між частинами рідини високої і низької щільності за невід’ємного значення тиску. Подібний перехід раніше виявили у фосфорі, де структурний фактор демонстрував стрибкоподібні зміни структури при зміні тиску.
Нещодавно хіміки з’ясували, що структура переохолодженої води змінюється, але поведінка залишається однофазною при охолодженні до 227 кельвінів за одного бар. Тобто фазовий перехід рідина-рідина, якщо він існує, є можливість спостерігати лише за тиску менше одного бар, що ускладнює спостереження. Коливання у критичній точці цього фазового переходу і могли би викликати такі розбіжності. Фазова поведінка води грає важливу роль в різних сферах, таких як біохімія, кріобіологія, матеріалознавство та інші промислові процеси, де вода діє як розчинник, реагент або домішка.
Що це за два стани?
За нормального атмосферного тиску вода переходить в твердий стан за температури в нуль градусів Цельсію та кипить, тобто перетворюється на водяну пару за температури 100 градусів Цельсію. Однак за зниження тиску, температура танення льоду повільно росте, а температура кипіння води - падає. “Звичайний” рідкий стан води ми спостерігаємо за середньої температури приблизно 25 градусів Цельсію та нормального атмосферного тиску. Однак у своїй роботі вченим вдалося помітити, що вода за низьких температур, мінус 73 градуси Цельсія, може існувати у двох різних рідких станах: стан рідини з низькою щільністю за низького тиску та рідини з високою щільністю за високого тиску. Ці дві рідини мають помітно різні властивості і відрізняються за щільністю на 20 відсотків. Результати припускають, що за відповідних умов вода може існувати у вигляді двох цих видів рідин, розділених тонкою межею поділу, подібно до поведінки нафти у воді.
Як хіміки це з’ясували?
Прямий спосіб зафіксувати такий фазовий перехід полягає у відстеженні структури води за допомогою розсіювання рентгенівських променів або нейтронів. Завдання полягає в тому, щоб провести такий експеримент за різних значень тиску і за досить короткий часовий проміжок, щоб можна було помітити перехід рідина-рідина до того, як відбудеться кристалізація води. Для свого експерименту хіміки обрали зразки переохолодженої рідкої води товщиною від 35 до 55 міліметрів, які опромінили інфрачервоним фемтосекундним лазером до температури 200 кельвінів. Вченим вдалося побачити переривчасту структурну зміну, за якої з’явилися рідкі домени з низькою щільністю, які росли у проміжку від 20 наносекунд до 3 мікросекунд. Лід почав утворюватися вже між 3 та 50 мікросекундами. Динаміка цього процесу, розділена більш ніж на один порядок величини, дає змогу припустити, що хіміки спостерігали у воді саме перехід рідина-рідина. Вчені повідомляють, що потрібні додаткові дослідження, щоб з’ясувати, як присутність двох видів рідкої фази може вплинути на поведінку водних розчинів в цілому і, зокрема, як ці вони можуть впливати на біомолекули у водному середовищі.