Переохлажденная вода может существовать в стабильном жидком состоянии

При замерзании вода расширяется, что является странным поведением по сравнению с другими жидкостями. Но именно эта странность поддерживает жизнь на Земле. Если бы кубики льда тонули или водяной пар в атмосфере не сохранял тепло, жизни на планете, какой мы ее знаем, не существовало бы

Переохлажденная вода - это, по сути, две жидкости в одной. К такому выводу пришла группа исследователей из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США после проведенных измерений показателей жидкой воды при температурах, находящихся намного ниже точки ее замерзания в обычных условиях.

Открытие, опубликованное в журнале Science [1], предоставляет долгожданные экспериментальные данные, чтобы объяснить некоторые из странных свойств воды, которые она проявляет при чрезвычайно низких температурах в космическом пространстве и в удаленных частях атмосферы Земли.

До сих пор жидкая вода при самых экстремальных температурах была предметом конкурирующих друг с другом теорий и гипотез. Некоторые ученые задаются вопросом: действительно ли вода может существовать в виде жидкости при температурах до - 83 °C или же она неизбежно преобразуется в твердое тело?

Аргументация ответа имеет важное значение, потому что изучение свойств воды, покрывающей 71 процент поверхности Земли, необходимо для понимания того, какое влияние она оказывает на окружающую среду, наши тела и саму жизнь на планете.

«Было показано, что жидкая вода при очень низких температурах не только относительно стабильна, но и существует в двух структурных состояниях». «Полученные данные объясняют давние споры о том: всегда ли переохлажденная вода, прежде чем перейти в уравновешенное состояние, кристаллизуется? Ответ - нет».

Переохлажденная вода: сказка о двух жидкостях

Можно подумать, что о воде уже всё известно. Это одно из самых распространенных и наиболее изученных веществ на планете. Но несмотря на кажущуюся простоту молекулы H₂O, это впечатление обманчиво.

Ниже переходной точки вода сопротивляется замерзанию, если ей не с чего начать, например, нет частички пыли или другого твердого вещества, за которое можно зацепиться. Чистой воде требуется энергетический толчок, чтобы молекулы образовали особую структуру, необходимую для активации процесса замерзания.

При замерзании вода расширяется, что является странным поведением по сравнению с другими жидкостями. Но именно эта странность поддерживает жизнь на Земле. Если бы кубики льда тонули или водяной пар в атмосфере не сохранял тепло, жизни на планете, какой мы ее знаем, не существовало бы.

Странное поведение воды занимало авторов исследования более 25 лет. Теперь достигнута важная веха, которая, как они надеются, расширит понимание состояний, которые могут принимать молекулы жидкой воды.

Было предложено несколько моделей для объяснения необычных свойств воды. Новые данные, полученные с помощью покадровой съемки переохлажденной воды, показывают, что она может конденсироваться в жидкоподобную структуру высокой плотности.

Эта форма с более высокой плотностью сосуществует бок о бок со структурой, имеющей более низкую плотность, которая в большей степени соответствует ожидаемому типичному поведению воды. Доля жидкости с высокой плотностью быстро уменьшается при изменении температуры от -28 °C до -83 °C, что подтверждает предположения, сделанные на основе моделирования состояния переохлажденной воды.

Чтобы вести наблюдение за молекулами воды, находящимися словно в остановившемся движении, когда на тонкую пленку льда воздействует лазер, создавая на несколько мимолетных наносекунд переохлажденную жидкую воду, исследователи использовали инфракрасную спектроскопию.

«Ключевым моментом наблюдений является то, что все структурные изменения были обратимы и воспроизводимы вновь».

Граупель - это переохлажденная вода!

Это исследование может помочь объяснить мягкий град - пушистые гранулы, которые иногда падают во время грозы и штормов в прохладную погоду. Граупель образуется, когда снежинка взаимодействует с переохлажденной жидкой водой в верхних слоях атмосферы.

«Жидкая вода в верхних слоях атмосферы сильно охлаждается. Когда она взаимодействует со снежинкой, то быстро замерзает, а затем при определенных условиях выпадает на землю».

Эти исследования могут пролить свет на то, как жидкая вода может существовать на очень холодных планетах - Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне - в нашей солнечной системе и за ее пределами. Переохлажденный водяной пар также создает красивые хвосты, тянущиеся за кометами.

Упражнения с молекулами воды

Здесь, на Земле лучшее понимание состояний, в которых может находиться вода при определенных условиях, например, когда одна молекула воды вклинивается в структуру белка, поможет ученым в разработке новых лекарств.

«Там не так много места для молекул воды, которые окружают отдельные белки». «Это исследование может пролить свет на то, как жидкая вода ведет себя в плотно упакованной среде».

«Этот новый прием можно использовать в будущих исследованиях, чтобы отследить молекулярные перестановки, лежащие в основе широкого спектра химических реакций».

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1126/science.abb7542

Источник: PNNL