Физики изучили свойства жидкой воды при отрицательных температурах

Исследователям долгое время было известно, что вода может оставаться в жидком состоянии и при очень низких температурах. Однако изучить подробно её структуру и свойства в таком состоянии ранее не представлялось возможным.

Теперь учёные из Национальной ускорительной лаборатории SLAC провели первые наблюдения за структурой жидкой воды при температуре до минус 46 градусов по Цельсию. Для проведения эксперимента физики использовали линейный ускоритель, источник когерентного излучения и рентгеновский лазер.

Существование такого состояния воды возможно в так называемой нейтральной зоне ("no-man's land"), то есть в диапазоне температур от минус 42 до минус 172 градусов по Цельсию.

"Главная жидкость, без которой невозможна жизнь, обладает намного более странными свойствами по сравнению с другими веществами. Теперь благодаря нашим новым установкам мы смогли заглянуть внутрь среды, которая выявила уникальные свойства природы воды", — говорит ведущий автор исследования Андерс Нильссон (Anders Nilsson).

Несмотря на простую молекулярную структуру, вода обладает массой необычных свойств. Например, в твёрдом состоянии, то есть будучи льдом, вода имеет меньшую плотность, чем будучи жидкостью. Она способна поглощать большое количество тепла, которое перемещается на большие расстояния с океанскими течениями, а особое распределение плотности по всему объёму защищает океаны и озера от полного замерзания от поверхности до самого дна.

Рентгеновский лазер, сталкивающийся с каплями воды, в представлении художника (иллюстрация Greg Stewart/SLAC).

Ещё больше удивительных свойств вода приобретает, когда она очищается и охлаждается до очень низких температур. Когда вода очень чистая и не имеет никаких примесей, которые могли бы поспособствовать кристаллизации (то есть формированию льда), она может оставаться в жидком виде даже при очень низких температурах.

В течение многих десятилетий учёные пытались лучше изучить, что происходит с молекулами воды при температурах ниже минус 42 градусов по Цельсию, но прежде им приходилось полагаться лишь на теоретические расчёты и компьютерное моделирование.

Нильссон и его коллеги использовали лазерные рентгеновские импульсы длительностью в квадриллионную долю секунды для получения чётких снимков, демонстрирующих подробную молекулярную структуру жидкой воды в нейтральной зоне.

Исследование показало, что структура постоянно преобразуется, когда она входит в нейтральную зону, и при дальнейшем охлаждении структурные изменения протекают значительно быстрее, чем предсказывали теоретические модели. Оказалось, что при охлаждении до -46 градусов молекулы воды собираются в пирамиду (молекулы H2O располагаются в вершинах). Прежние исследования этого увидеть не позволяли.

При охлаждении молекулы чистой воды собираются в пирамидки (иллюстрация Greg Stewart/SLAC).

Для проведения эксперимента физики заставили крошечные капли воды двигаться устойчивым потоком в вакуумной камере. При перемещении этих капель по направлению к лазерному лучу, некоторые из них быстро испарялись и оставшаяся жидкость дополнительно охлаждалась. Регулируя расстояние, которое нужно было преодолеть каплям до встречи с лазерными импульсами, исследователи достигали нужных температур жидкости.

В пресс-релизе рассказывается, что в будущем команда Нильссона надеется достичь ещё более низких температур, при которых вода превращается в стекловидное некристаллическое вещество. Также учёные планируют определить точную температуру, при которой необычные свойства воды достигают своего пика.

Это исследование имеет большое значение не только для фундаментальной физики, но и для изучения климата, поскольку нейтральная зона встречается в верхних слоях атмосферы и протекающие в ней процессы влияют на глобальный климат.

Статья с результатами исследования вышла в журнале Nature.