Учёные впервые наблюдали переход воды в глубоко переохлаждённом состоянии

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, международная группа учёных впервые экспериментально наблюдала так называемый переход «хрупкой» жидкости в «сильную» в глубоко переохлаждённой воде. Это разрешает научную загадку, которая оставалась неразгаданной почти три десятилетия.

Вода демонстрирует аномальные свойства при охлаждении ниже точки замерзания без кристаллизации. Ранее учёные предсказывали, что её вязкость должна стремиться к бесконечности при температуре около –46°C, что означало бы полное «замирание» движения молекул. Однако это противоречило другим известным свойствам воды, что привело к гипотезе о динамическом переходе (FST) при определённой низкой температуре.

«Вода — самое важное вещество для жизни, но это также жидкость с самыми аномальными свойствами, — объяснил соавтор работы профессор Кён Хван Ким из Пхоханского университета науки и технологий. — Ключ к разгадке их происхождения, как полагают, лежит в глубоко переохлаждённом режиме, где вода замерзает так быстро, что прямое экспериментальное исследование было почти невозможным».

Прорыв стал возможен благодаря инновационной методике с использованием микрокапель воды и сверхбыстрых рентгеновских лазеров на свободных электронах. Учёные создавали капли диаметром около 17 микрометров в вакуумной камере, где испарительное охлаждение понижало их температуру до диапазона от –45°C до –3°C. Затем с помощью фемтосекундного инфракрасного лазера в капле вызывался небольшой скачок температуры, а её структурная релаксация отслеживалась с помощью ультракоротких импульсов рентгеновского лазера SwissFEL.

Результаты показали чёткий динамический переход при температуре примерно –40°C (233 K). Выше этой температуры время релаксации быстро росло при охлаждении, что характерно для «хрупких» жидкостей. Ниже –40°C зависимость стала более пологой, что соответствует поведению «сильных» жидкостей. Молекулярно-динамическое моделирование с использованием модели TIP4P/2005 успешно воспроизвело аналогичный переход.

Наблюдаемая температура перехода находится чуть выше так называемой линии Видома (230 K), где флуктуации между высокоплотными и низкоплотными конфигурациями молекул воды максимальны. Это указывает на связь перехода с изменением соотношения этих структур, а не с переходом в стеклообразное состояние при 136 K.

«Разрешив загадку аномального поведения воды, мы можем улучшить понимание множества явлений, которые от неё зависят — от погодных паттернов до биологической химии», — отметил соавтор работы профессор Андерс Нильссон из Стокгольмского университета. Теперь у учёных появился метод для изучения воды ниже 230 K, что открывает двери для новых открытий в этой области.