Ослепительная красота снежинки свидетельствует о том, какие удивительные формы может принимать вода при температуре ниже точки замерзания.
Находясь под давлением, элегантный танец молекул H2O при сверхнизких температурах превращается в нечто причудливое, практически завязываясь в узлы, чтобы избежать превращения в лед.
Исследователи из Бирмингемского университета в Великобритании и Римского университета Сапиенца в Италии изучили поведение молекул в жидкой воде под давлением, помещенной в условия, которые обычно приводят к ее кристаллизации.
Основываясь на новом способе моделирования поведения воды как суспензии частиц, они определили ключевые особенности двух различных жидких состояний: одно «топологически сложное», связанное в узел, похожий на крендель, а другое — в виде более простых колец с более низкой плотностью.
«Эта коллоидная модель воды представляет собой увеличительное стекло для молекулярной воды и позволяет нам разгадать секреты воды, касающиеся истории двух жидкостей», — говорит химик из Бирмингемского университета Двайпаян Чакрабарти.
Теории, изложенные в 1990–х годах, намекали на виды молекулярных взаимодействий, которые могут происходить, когда вода переохлаждается — охлаждается до температур ниже их типичной точки замерзания без затвердевания.
Ученые уже много лет расширяют возможности охлаждения воды без ее перехода в твердое состояние, и в конце концов им удалось удержать ее в хаотичной жидкой форме при безумно холодной температуре -263 градуса по Цельсию (-441 градус по Фаренгейту) на долю секунды, не превращая в лед.
Несмотря на достигнутый прогресс в демонстрации этих состояний в лабораторных условиях, ученые все еще пытаются точно определить, как выглядят переохлажденные жидкости, лишенные тепла.
Ясно, что в критические моменты конкурирующие полярные притяжения между молекулами воды поднимаются выше термодинамического шума от покачивающихся частиц. Не имея возможности протолкнуться в кристаллическую форму, молекулам необходимо найти другие удобные конфигурации.
Учитывая такое количество факторов, исследователи обычно пытаются упростить то, что они могут, и сосредоточиться на важных переменных. В этом случае рассмотрение «сгустков» воды так, как если бы они были более крупными частицами, растворенными в жидкости, помогает лучше понять переходы от одного расположения к другому.
Компьютерные модели, основанные на этой перспективе, указали на тонкое изменение между раздвиганием воды и формой, состоящей из частиц, которые оседают ближе друг к другу в более плотной форме.
Интересно, что форма – или топология – молекулярных взаимодействий в этом водном ландшафте также выглядела совершенно по-другому: молекулы запутывались в сложные сети, когда они сбивались в кучу, или в гораздо более простые формы, когда они раздвигались.
«В этой работе мы впервые предлагаем взгляд на фазовый переход жидкость-жидкость, основанный на идеях сетевой запутанности», — говорит Франческо Шортино, физик конденсированных сред из Римского университета Сапиенца.
«Я уверен, что эта работа вдохновит на новое теоретическое моделирование, основанное на топологических концепциях».
Это странное пространство запутанных сетей частиц созрело для изучения. Хотя такие узлы не совсем отличаются от длинных цепочек ковалентно связанных молекул, они являются временными, меняя свои элементы по мере изменения жидкой среды.
Учитывая их запутанные взаимодействия, природа жидкой воды, обнаруженной в средах с высоким давлением и низкой температурой, должна быть совершенно непохожей на то, что мы обнаружили бы на поверхности Земли.
Знание большего о топологическом поведении не только воды в этих условиях, но и других жидкостей может дать нам представление об активности материалов в экстремальных или труднодоступных средах, таких как глубины далеких планет.
«Представьте, как было бы прекрасно, если бы мы могли заглянуть внутрь жидкости и понаблюдать за танцем молекул воды, за тем, как они мерцают, и за тем, как они обмениваются партнерами, перестраивая сеть водородных связей», — говорит Скьортино.
«Реализация предлагаемой нами коллоидной модели воды может воплотить эту мечту в реальность».
Отсюда: https://www.sciencealert.com/water
This research was published in Nature Physics.