Ослепительная красота снежинок свидетельствует о том, какие удивительные формы может создавать вода при температуре ниже точки замерзания.
Под давлением элегантный танец молекул H2O превращается в нечто причудливое при очень низких температурах, практически завязываясь в узлы, чтобы не превратиться в лед.
Исследователи из Университета Бирмингема в Великобритании и Университета Сапиенца ди Рома 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 состояний жидкости: одно “топологически сложное”, связанное в узел, похожий на крендель, другое – более низкоплотное образование более простых колец.
“Эта коллоидная модель воды дает возможность рассмотреть молекулярную воду через увеличительное стекло и позволяет нам разгадать секреты воды, касающиеся истории двух жидкостей”, – говорит химик из Бирмингемского университета Двайпаян Чакрабарти.
Теории, заложенные в 1990-х годах, намекали на виды молекулярных взаимодействий, которые могут происходить при переохлаждении воды – охлаждении до температуры ниже обычной точки замерзания без застывания.
В течение многих лет ученые пытались достичь предела в охлаждении воды без перехода ее в твердое состояние, и в конце концов им удалось на долю секунды задержать ее в хаотичной жидкой форме при безумно холодной температуре -263 градуса по Цельсию без превращения в лед.
Несмотря на прогресс, достигнутый в демонстрации этих состояний в лаборатории, ученые все еще пытаются выяснить, как именно выглядят переохлажденные жидкости, лишенные тепла.
Ясно, что в критические моменты конкурирующие полярные притяжения между молекулами воды поднимаются выше термодинамического шума покачивающихся частиц. Не имея пространства для сталкивания в кристаллическую форму, молекулы вынуждены искать другие удобные конфигурации.
Рассмотрение “сгустков” воды как более крупных частиц, растворенных в жидкости, помогает лучше понять переходы от одной конфигурации к другой.
Компьютерные модели, основанные на этом взгляде, указали на тонкое изменение между водой, толкающей друг друга, 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-разному: молекулы запутывались в сложные сети, когда они сближались, или становились гораздо более простыми формами, когда они раздвигались.
“В этой работе мы впервые предлагаем взгляд на фазовый переход жидкость-жидкость, основанный на идеях сетевой запутанности, – говорит Франческо Сциортино, физик конденсированной материи из университета Сапиенца в Риме. – Я уверен, что эта работа вдохновит на создание новых теоретических моделей, основанных на топологических концепциях”.
Это странное пространство сетей запутанных частиц созрело для изучения. Хотя такие узлы не совсем похожи на длинные цепочки ковалентно связанных молекул, они являются переходными, меняясь местами при изменении состояния жидкой среды.
Учитывая их запутанные взаимодействия, природа жидкой воды, найденной в условиях высокого давления и низкой температуры, должна быть совершенно не похожа на то, что мы можем обнаружить на поверхности Земли.
Знание топологического поведения не только воды в таких условиях, но и других жидкостей может дать нам представление об активности материалов в экстремальных или труднодоступных средах, таких как глубины далеких планет.
Читайте также: “Структурированная вода” – это чепуха. Не верьте шумихе, говорит ученый