У воды есть два жидких состояния — как они получаются и чем отличаются?

Вода, как обычная, так и необходимая для жизни на Земле, ведет себя очень странно по сравнению с другими веществами. То, как свойства воды, такие как плотность, удельная теплоемкость, вязкость и сжимаемость, реагируют на изменения давления и температуры, полностью противоположно другим известным нам жидкостям. Следовательно, воду часто называют аномальной. Если бы вода вела себя как обычная жидкость, нас бы не существовало, поскольку морская жизнь не могла бы развиваться. Однако остается открытым вопрос: что вызывает эти аномалии?

Существует ряд объяснений странных свойств воды, и одно из них предполагает, что вода способна существовать в виде двух разных жидкостей при разных давлениях и низких температурах. Если бы мы могли держать две жидкости в стакане, они бы разделялись едва заметной линией (как вода и масло, например). Обычная вода в наших условиях окружающей среды представляет собой только одну жидкость, и в стакане не будет видно никакой границы раздела фаз, но на молекулярном уровне она колеблется, создавая небольшие локальные области с такой же плотностью, что и две жидкости, вызывая странное поведение воды. Проблема заключалась в том, что невозможно было провести эксперимент при температурах, при которых две жидкости могли бы сосуществовать, поскольку лед образовался бы почти мгновенно.

Используя рентгеновские лазеры, исследователи из Стокгольмского университета смогли проследить трансформацию между двумя различными жидкими состояниями воды, оба состоящими из молекул H2O. При температуре около -63 градусов по Цельсию две жидкости существуют при разных режимах давления с разницей в плотности 20%. Путем быстрого изменения давления до того, как образец мог замерзнуть, можно было наблюдать переход одной жидкости в другую в реальном времени. Их выводы опубликованы в журнале Science.

На протяжении десятилетий существовали предположения и различные теории, объясняющие эти аномальные свойства и то, почему они становятся сильнее, когда вода становится холоднее. Теперь исследователи обнаружили, что два жидких состояния реальны и могут объяснить странность воды.

Уникальность работы состоит в том, что у исследователей в руках появились первые реальные доказательства существования двух типов жидкого состояния. Их наличие, к примеру, объясняет тот факт, что водный лед ближе по своей структуре к стеклу, нежели к материалам образующимся вследствие заморозки других веществ. Мгновенное формирование рентгеновских лучей и современное оборудование сработали настолько точно, что теперь тайнам воды от нас не ускользнуть!

Исследователи, изучающие физику воды, теперь могут остановиться на модели, согласно которой вода может существовать как две жидкости в переохлажденном режиме. Следующий этап — определить, существует ли критическая точка, когда две жидкости пересекаются, чтобы стать только одной жидкостью при изменении давления и температуры. Большой вызов на следующие несколько лет.