Фізики вивчили властивості рідкої води при негативних температурах
Відео: В Якутії виявили мамонта з рідкою кров`ю (новини)
Дослідникам довгий час було відомо, що вода може залишатися в рідкому стані і при дуже низьких температурах. Однак вивчити детально її структуру і властивості в такому стані раніше було неможливо.
Тепер вчені з Національної прискорювальної лабораторії SLAC провели перші спостереження за структурою рідкої води при температурі до мінус 46 градусів за Цельсієм. Для проведення експерименту фізики використовували лінійний прискорювач, джерело когерентного випромінювання і рентгенівський лазер.
Існування такого стану води можливо в так званій нейтральній зоні ("no-man`s land"), Тобто в діапазоні температур від мінус 42 до мінус 172 градусів за Цельсієм.
"Головна рідина, без якої неможливе життя, має набагато більш дивними властивостями в порівнянні з іншими речовинами. Тепер завдяки нашим новим установкам ми змогли зазирнути всередину середовища, яка виявила унікальні властивості природи води", - Говорить провідний автор дослідження Андерс Нільссон (Anders Nilsson).
Незважаючи на просту молекулярну структуру, вода володіє масою незвичайних властивостей. Наприклад, в твердому стані, тобто будучи льодом, вода має меншу щільність, ніж будучи рідиною. Вона здатна поглинати велику кількість тепла, яке переміщається на великі відстані з океанськими течіями, а особливий розподіл щільності по всьому об`єму захищає океани і озера від повного замерзання від поверхні до самого дна.
Рентгенівський лазер, що стикається з краплями води, в поданні художника (ілюстрація Greg Stewart / SLAC).
Ще більше дивовижних властивостей вода набуває, коли вона очищається і охолоджується до дуже низьких температур. Коли вода дуже чиста і не має ніяких домішок, які могли б посприяти кристалізації (тобто формування льоду), вона може залишатися в рідкому вигляді навіть при дуже низьких температурах.
Протягом багатьох десятиліть вчені намагалися краще вивчити, що відбувається з молекулами води при температурах нижче мінус 42 градусів за Цельсієм, але перш їм доводилося покладатися лише на теоретичні розрахунки та комп`ютерне моделювання.
Нільссон і його колеги використовували лазерні рентгенівські імпульси тривалістю в квадрильйонів частку секунди для отримання чітких знімків, що демонструють детальну молекулярну структуру рідкої води в нейтральній зоні.
Дослідження показало, що структура постійно перетвориться, коли вона входить в нейтральну зону, і при подальшому охолодженні структурні зміни протікають значно швидше, ніж передбачали теоретичні моделі. Виявилося, що при охолодженні до -46 градусів молекули води збираються в піраміду (молекули H2O розташовуються в вершинах). Колишні дослідження цього побачити не дозволяли.
При охолодженні молекули чистої води збираються в пірамідки (ілюстрація Greg Stewart / SLAC).
Відео: Галій - метал, який плавиться в руці
Для проведення експерименту фізики змусили крихітні краплі води рухатися стійким потоком у вакуумній камері. При переміщенні цих крапель у напрямку до лазерному променю, деякі з них швидко випаровувалися і залишилася рідина додатково охолоджувалася. Регулюючи відстань, яку треба було подолати краплях до зустрічі з лазерними імпульсами, дослідники досягали потрібних температур рідини.
У прес-релізі говориться, що в майбутньому команда Нильссона сподівається досягти ще більш низьких температур, при яких вода перетворюється в склоподібне некристалічні речовина. Також вчені планують визначити точну температуру, при якій незвичайні властивості води досягають свого піку.
Це дослідження має велике значення не тільки для фундаментальної фізики, а й для вивчення клімату, оскільки нейтральна зона зустрічається в верхніх шарах атмосфери і що протікають в ній процеси впливають на глобальний клімат.
Стаття з результатами дослідження вийшла в журналі Nature.
