Исследователи раскрывают происхождение необычных свойств воды

Используя рентгеновские лазеры, исследователи из Стокгольмского университета смогли определить, как вода колеблется между двумя различными состояниями, когда она охлаждается. При -44 ° C эти колебания достигают максимума, указывая на то, что вода может существовать как две разные различные жидкости. Результаты опубликованы в журнале Science.
Вода, как обычная, так и необходимая для жизни на Земле,
ведет себя очень странно по сравнению с другими веществами. Как плотность воды, удельная теплоемкость, вязкость и сжимаемость реагируют на изменения давления и температуры, полностью противоположны другим жидкостям, которые мы знаем.

Мы все знаем, что вся материя сжимается, когда она охлаждается, что приводит к увеличению плотности. Поэтому мы ожидаем, что вода будет иметь высокую плотность в точке замерзания. Однако, если мы посмотрим на стакан ледяной воды, все перевернуто, так как мы ожидаем, что вода на 0 ° C, окруженная льдом, должна быть на дне стакана, но, разумеется, мы знаем, что кубики льда плавают. Как ни странно, для жидкого состояния вода является самой плотной при 4 градусах Цельсия, и поэтому она остается на дне, будь то в стекле или в океане.
Если вы охладите воду ниже 4 градусов, она снова начнет расширяться. Если вы продолжаете охлаждать чистую воду (где скорость кристаллизации низкая) до уровня ниже 0, она продолжает расширяться - расширение даже ускоряется, когда становится холоднее. Многие другие свойства, такие как сжимаемость и теплоемкость, становятся все более странными, поскольку вода охлаждается. Теперь исследователи из Стокгольмского университета с помощью ультракоротких рентгеновских импульсов на рентгеновских лазерах в Японии и Южной Корее сумели определить, что вода достигает пика своего странного поведения при -44 ° C.

Вода уникальна, поскольку она может существовать в двух жидких состояниях, которые имеют разные способы соединения молекул воды вместе. Вода колеблется между этими состояниями, как будто она не может решить, и эти колебания достигают максимума при -44 ° C. Именно эта способность переходить из одного жидкого состояния в другое, что придает воде его необычные свойства, и поскольку флуктуации возрастают при охлаждении, также увеличивается странность.

«Особенность заключалась в том, что мы смогли рентгеновские снимки невообразимо быстро, пока лед не замерз, и не мог наблюдать, как он колебался между двумя государствами», - говорит Андерс Нильссон, профессор химической физики Стокгольмского университета. «На протяжении десятилетий существовали спекуляции и разные теории, чтобы объяснить эти замечательные свойства и почему они стали сильнее, когда вода становится холоднее. Теперь мы нашли такой максимум, а это означает, что также должна быть критическая точка при более высоких давлениях ».

Иллюстрация, показывающая колебания между областями двух разных локальных структур (высокая плотность как красная и низкая плотность жидкости как голубая) воды, зависящей от температуры. Максимумы в термодинамическом отклике и корреляционных функциях наблюдаются как функция температуры, когда число молекул в обеих структурах становится равным, что приводит к сильному усилению аномальных свойств воды в глубоко переохлажденном режиме. Университет Стокгольма
Еще один замечательный вывод исследования заключается в том, что необычные свойства различны между нормальной и тяжелой водой и более улучшены для более светлой. «Различия между двумя изотопами, H2O и D2O, приведенные здесь, показывают важность ядерных квантовых эффектов», - говорит Кьюнг Хван Ким, postdoc в Chemical Physics в Стокгольмском университете.

«Возможность сделать новые открытия в такой изученной теме, как вода, является полностью увлекательной и отличным вдохновением для моих дальнейших исследований», - говорит Александр Спэ, студент PhD по химической физике Стокгольмского университета.

«Это была мечта, чтобы иметь возможность измерять воду в таких условиях низкой температуры без замерзания», - говорит Харшад Патак, postdoc в Chemical Physics в Стокгольмском университете. «Было предпринято много попыток по всему миру, чтобы найти этот максимум».

«С начала ранней работы Вольфганга Рентгена интенсивные дебаты о происхождении странных свойств воды уже более века, - объясняет Андерс Нильссон. «Исследователи, изучающие физику воды, теперь могут рассчитывать на модель, что вода имеет критический момент в переохлажденном режиме. Следующий этап - найти местоположение критического с точки зрения давления и температуры. Большая проблема в ближайшие несколько лет ».

Исследование проводилось в сотрудничестве с Королевским технологическим институтом в Стокгольме, PAL-XFEL в Корее и SACLA в Японии. Люди из Стокгольмского университета, участвующие в исследовании, включают Кюнга Хвана Кима, Александра Спэха, Харшада Патака, Фивоса Перакиса, Катрин Аманн-Винкеля и Даниэля Маридаля из Стокгольмского университета.

Источник: https://scitechdaily.com