Невероятно: у воды есть два жидких состояния

Физики получили удивительное состояние воды.

Физики получили удивительное состояние воды.
Иллюстрация Pixabay.

Привычная вода таит ещё много загадок.

Привычная вода таит ещё много загадок.
Иллюстрация CC0 Public Domain.

Физики получили удивительное состояние воды.
Привычная вода таит ещё много загадок.

Вода может существовать в виде двух разных жидкостей, которые при определённых условиях даже не смешиваются друг с другом. Такой удивительный результат получили физики, проведя тончайшие эксперименты.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Science.

Каждому из нас со школьной скамьи известно, что вещество может находиться в трёх состояниях: твёрдом (как лёд), жидком (как вода при комнатной температуре) или газообразном (как водяной пар).

Но не всё так просто. У одного и того же вещества бывает много твёрдых состояний. Они отличаются тем, как атомы расположены друг относительно друга. А уж отсюда могут проистекать различия в самых разных свойствах: плотности, прочности, прозрачности и… рыночной стоимости. Например, графит и алмаз – два разных твёрдых состояния углерода, а между тем их очень трудно спутать, и ещё труднее превратить первое во второе.

У воды тоже есть несколько твёрдых состояний. Этих разновидностей льда больше десятка. Но лишь одна модификация образуется на поверхности Земли естественным образом. Остальные получаются либо в лаборатории, либо в экзотических уголках вроде земных недр.

Но несколько десятилетий назад теоретики выдвинули гипотезу, что и жидких состояний у этого привычного нам вещества больше одного.

"Гипотеза, что вода может существовать в двух различных жидких состояниях, была предложена примерно 30 лет назад на основе результатов компьютерного моделирования", – рассказывает соавтор статьи Николас Джовамбаттиста (Nicolas Giovambattista) из Городского университета Нью-Йорка.

Специалисты рассчитали, что "вторая вода" возникает при температуре около -70 °C и давлении в тысячи атмосфер. Она на 20% плотнее обычной воды из-за того, что молекулы располагаются теснее друг к другу. Поэтому эти две жидкости могут образовывать слои, не смешиваясь, как вода и масло.

Привычная вода таит ещё много загадок.

Однако проверить это предположение в эксперименте оказалось чрезвычайно сложно. Ведь в описанных условиях вода (как обычная, так и "аномальная") за доли секунды превращается в лёд. До недавнего времени физики просто не успевали обнаружить это неуловимое жидкое состояние до того, как оно перейдёт в твёрдое.

Авторы новой работы взяли этот барьер, применив два фемтосекундных лазера. Один из них, инфракрасный, они использовали для моментального нагрева льда и превращения его в жидкую воду. Другой, рентгеновский, зондировал образец, чтобы учёные могли узнать, в каком состоянии тот находится.

Исследователи зафиксировали появление своеобразных пузырей жидкости, содержащих "вторую" воду. Они существовали недолго: от 20 наносекунд до 3 микросекунд. При этом уже через несколько микросекунд вещество превращалось в лёд.

Итак, экспериментаторы блестяще подтвердили теоретический прогноз тридцатилетней давности. Кому и чем может быть полезно это достижение?

Отметим, что вода вообще очень необычное вещество с точки зрения физики и химии. Например, вода – поразительно хороший растворитель. И это её свойство лежит в основе физиологии всех живых существ. Напомним, что и человек на 60–70% состоит из воды и в каком-то смысле является большой вертикальной лужей.

У воды есть и ещё одно необычное качество. Почти все вещества в твёрдом состоянии плотнее, чем в жидком, а вода – наоборот. Поэтому лёд плавает в воде, и это большая удача для жителей водоёмов. Если бы лёд тонул, холодной зимой все реки и озёра промерзали бы до дна. Более того, в полярных широтах не образовывались бы плавучие морские льды – важнейший фактор климата. Вся жизнь на Земле выглядела бы иначе, не будь у привычной нам жидкости такого удивительного свойства.

Изучая свойства воды, учёные проникают в основы множества самых важных процессов, от биохимических до климатических.

Конечно, в человеческом организме или полярных шапках не встретить "воду II", только что открытую экспериментаторами. Ведь для её существования (и то мимолётного) требуются давления в тысячи атмосфер. Но этот феномен возникает благодаря неким свойствам воды, которые могут проявляться и в менее экзотических условиях, а значит, влиять на нашу жизнь.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как физики охладили жидкую воду до рекордной температуры. Писали мы и о том, как воду заморозили при температуре кипения.