Холодная вода ведет себя странно. Во-первых, он расширяется, а не сжимается при охлаждении (именно поэтому лед плавает), его легче сжимать при более низких температурах, и его молекулы могут расположиться несколькими способами при замораживании.
Одно из предложенных — и противоречивых — объяснений этого заключается в том, что очень холодная вода может существовать в двух разных жидких формах, одна из которых менее плотная и более структурированная, чем другая.
Теперь исследователи в США и Италии говорят, что у них есть веские доказательства того, что это так, и «второй критической точки», в которой это происходит.
В статье, опубликованной в журнале Science, Пабло Дебенедетти и Гюль Х Церце из Принстонского университета, а также Франческо Сьортино из Римского университета Сапиенца предполагают, что она находится в диапазоне примерно 190-170 градусов по Кельвину (от минус 83 до минус 103 градусов по Цельсию) при атмосферном давлении, примерно в 2000 раз превышающем атмосферное давление на уровне моря.
«Вы можете себе представить радость, когда мы начали видеть, что критические колебания ведут себя именно так, как они должны были вести себя”, — говорит Скортино, который был соавтором статьи, предложившей эту идею. «Теперь я могу спать спокойно, потому что спустя 25 лет моя первоначальная идея подтвердилась.»
Критическая точка — это уникальное значение температуры и давления, при которых две фазы материи становятся неразличимыми, и это происходит непосредственно перед тем, как материя переходит из одной фазы в другую. Вода имеет известную критическую точку между жидкостью и паром.
Эксперименты с использованием реальных молекул воды для проверки наличия второй критической точки переохлаждения до сих пор не дали однозначных доказательств, отчасти, считают Дебенедетти и его коллеги, из-за склонности переохлажденной воды превращаться в лед.
Вместо этого они обратились к компьютерному моделированию и сказали, что даже при использовании современных технологий имитация заняла около 18 месяцев.
Поскольку они снизили температуру намного ниже точки замерзания в диапазоне переохлаждения, плотность воды, как и прогнозировалось, сильно колебалась.
Они обнаружили критическую точку в двух различных компьютерных моделях воды. Для каждой модели они подвергали молекулы воды двум разным вычислительным подходам для поиска критической точки — и сообщают, что оба подхода привели к нахождению критической точки.
Две фазы воды происходят потому, что форма молекулы воды может привести к двум способам упаковки, говорят исследователи.
В жидкости с более низкой плотностью четыре молекулы группируются вокруг центральной пятой молекулы в геометрической форме, называемой тетраэдром. В жидкости с более высокой плотностью втискивается шестая молекула, что приводит к увеличению локальной плотности.
В своей статье исследователи говорят, что их расчеты, «зная границы того, что вычислительно возможно в этой области в настоящее время, дают четкое доказательство наличия метастабильной критической точки в глубоко переохлажденной области» двух молекул.
Они, конечно же, отмечают, что при использовании еще более точных — и более дорогостоящих с вычислительной точки зрения — средств будет «важно проверить, подтверждены ли наши результаты».
Источник:
