В экстремальных условиях вода ведет себя совершенно причудливым образом. Физики впервые непосредственно наблюдали два экзотических состояния.
Вода покрывает около 70 процентов поверхности Земли и составляет около 60 процентов массы нашего тела. При низких температурах вода может кристаллизоваться в привычный лед. Или он становится стеклоподобным льдом с неупорядоченной, хаотичной молекулярной структурой. Как и стекло, это своего рода застывший гель, а не кристаллическая решетка.
Подробности читайте после объявления
Этот аморфный лед, вероятно, является самой распространенной формой воды во Вселенной. На Земле аморфный водяной лед встречается в стратосферных облаках в полярных регионах. Но переход от жидкой воды к этой форме льда до сих пор оставался скрытым.
Когда вода замерзает, она обычно образует кристаллы льда, которые собираются в жесткую упорядоченную структуру. Это происходит при температуре до минус 45 градусов по Цельсию. Ниже находится обширная, плохо изученная термальная нейтральная зона.
Вода, захваченная между молекулами жира
Ученые подозревали, что стекловидный переход воды происходит где-то при температуре минус 135 градусов. Но кристаллический лед до сих пор не позволяет исследователям увидеть этот процесс. В новом исследовании физики решили эту проблему, заключив воду в матрице.
Как и команда под руководством физика Рафаэле Мецценги из ETH Zurich в специализированном журнале. Природные коммуникации Как сообщается, исследователи задержали небольшое количество воды между двумя липидными слоями, которые оставались стабильными и жидкими даже при отрицательных температурах.
Сам слой воды имел толщину всего несколько молекул – менее миллиардной доли метра. Заключенная таким образом вода не могла кристаллизоваться при падении температуры. Исследователи смогли проследить переход от жидкости к стеклообразному состоянию в мельчайших подробностях.
Подробности читайте после объявления
Переход при более высоких температурах, чем ожидалось
Чтобы отслеживать поведение воды в нанометровом масштабе, команда объединила компьютерные модели с рядом передовых методов атомного зондирования. Ученые работали вместе с исследователями из Австралийской организации ядерной науки и технологий (ANSTO).
Чтобы составить карту структуры заключенной воды при различных температурах, были использованы рентгеновские лучи чрезвычайно высокой энергии, которые генерировались в ускорителе частиц.
Команда также использовала два спектрометра для обнаружения молекулярных колебаний и визуализации движения атомов водорода в образце. Исследователи были удивлены, обнаружив, что переход в стеклоподобное аморфное состояние происходит в гораздо большем и более теплом температурном диапазоне, чем предполагалось ранее.
В частности, изменение молекулярной динамики происходит при температуре от минус 21 до минус 35 градусов по Цельсию, когда кинетическая активность молекул воды становится вялой. Статический стеклообразный структурный переход происходит при температуре от минус 74 до минус 64 градусов, когда образец переходит в неупорядоченное стеклообразное твердое состояние.
Возможное применение замороженных продуктов?
Это исследование может иметь практическое применение, поскольку результаты имеют прямое отношение ко всем физическим явлениям, влияющим на криогенную, нанозахваченную воду, таким как криоконсервация биологического материала и глубокая заморозка продуктов питания.
Однако еще неизвестно, смогут ли такие применения привести к улучшению восстановления сохранившихся тканей или к совершенно новому, сливочному типу мороженого.
Лед при температуре 2357 градусов по Цельсию
Но если внимательно присмотреться к воде, то вряд ли можно узнать вездесущее вещество. H2O при замерзании становится менее плотным. Его поверхностное натяжение необычайно велико. Как и его точка кипения. И, судя по его молекулярной массе, при комнатной температуре это должен быть газ.
Если изменить давление и температуру, и без того необычное поведение воды станет еще более причудливым.
Ученые продемонстрировали одну из самых странных форм льда — под давлением до 2,3 миллиона атмосфер и температурой до 2357 градусов по Цельсию.
Твердый кислород, жидкий водород
При таких температурах обычно можно ожидать сверхгорячего пара, но вместо этого происходит нечто совершенно иное.
Когда вода переходит из жидкости в газ, она расширяется. Это расширение предотвращается под сокрушающим давлением в миллионы атмосфер. Вместо этого вода может оставаться чрезвычайно плотной и принимать экзотические формы, отличающиеся от любого льда, с которым мы сталкиваемся на поверхности Земли.
Одним из них является суперионный лед – состояние, в котором вода не является ни полностью твердой, ни полностью жидкой. Атомы кислорода закреплены в жесткой кристаллической решетке, как в твердом теле. Но ядра водорода подвижны и диффундируют через эту решетку.
Более двадцати различных ледовых фаз
И дело не только в странностях как таковых. Считается, что суперионный лед существует глубоко внутри Урана и Нептуна, где его необычные свойства могут играть роль в создании необычных магнитных полей планет.
В ходе новых экспериментов группа под руководством физика Алексиса Форестье из Французского агентства по альтернативной и атомной энергии подвергла крошечные образцы воды воздействию экстремальных условий, ожидаемых внутри газовых гигантов.
Они сжимали образцы между алмазными наконечниками под давлением до 230 гигапаскалей, что соответствует атмосферному давлению на Земле в 2,3 миллиона раз. Для сравнения: давление в центре Земли составляет около 360 гигапаскалей. При этом они нагревали образцы до тысяч градусов Цельсия с помощью лазеров.
Затем они использовали чрезвычайно узкий луч синхротронного рентгеновского излучения, чтобы обнаружить изменения в кристаллической структуре льда.
Новая кристаллическая структура
Возникла конфигурация, которая была предсказана теоретически, но никогда четко не наблюдалась в экспериментах: гексагонально плотнейшая сферическая упаковка атомов кислорода, или для краткости ГПУ лед.
Название относится к расположению атомов кислорода. Представьте себе, что вы упаковываете одинаковые шарики слоями. Существуют разные способы укладки этих слоев.
Ранее идентифицированная форма суперионного льда имеет менее плотную структуру, в которой атомы кислорода расположены слоями квадратной формы. Исследователи обнаружили доказательства того, что одна форма может трансформироваться в другую по мере смещения слоев.
Свойства пока неизвестны
Мы еще не знаем точных свойств мороженого HCP. Необходимы дальнейшие работы, особенно для выяснения механической пластичности и электропроводности странного вещества. Также потребуются дальнейшие эксперименты, чтобы определить, при каких давлениях и температурах лед ГПУ стабилен.
