Физики впервые доказали существование двух фаз жидкой воды

Физики впервые на практике показали, что жидкая вода может существовать в двух разных фазовых состояниях. Различия между ними исчезают, если охладить воду до температуры минус 58–66 градусов Цельсия и сжать до давления 800–1000 атмосфер. В Стокгольмском университете сообщили, что это помогает объяснить многие необычные свойства и особенности поведения воды.

«Аномалии в поведении воды вызывают ожесточенные споры уже больше века со времен первых опытов Вольфганга Рентгена. Открытие ранее неизвестной критической точки, характерной для сверхохлажденной воды, позволяет разрешить многие из этих диспутов. Теперь нам остается понять, как эти удивительные свойства жидкой воды влияют на разные физические, химические, биологические и геологические процессы», — заявил профессор Стокгольмского университета Андерс Нильссон.

Долгое время считалось, что в жидком виде вода может находиться только в одном состоянии. Лишь в 2020 году опыты со сверхохлажденной водой показали, что у нее есть две жидкие формы. Они отличаются плотностью, теплоемкостью и некоторыми другими физическими свойствами, поэтому физики обозначили их как жидкость высокой плотности и жидкость низкой плотности.

Разделить эти две формы воды долго не удавалось, поэтому ученые не могли точно определить, как они возникают и есть ли у них критическая точка. Так называют особое сочетание температуры и давления, при котором исчезают различия между фазовыми состояниями вещества. Примером могут быть границы между водяным паром и жидкостью или между льдом и паром.

В новом исследовании ученые использовали сверхмощные рентгеновские лазеры и две формы аморфного льда — высокой и низкой плотности. В отличие от обычного льда, где молекулы воды образуют кристаллы, в аморфном льде они расположены беспорядочно. Оказалось, что сверхбыстрый нагрев обеих форм такого льда короткими рентгеновскими вспышками приводит к появлению особого состояния воды, в котором исчезают различия между двумя ее жидкими формами.

Это происходит при температуре около минус 58–63 градусов Цельсия и давлении примерно 800–1000 атмосфер. Даже небольшие отклонения от этих значений приводят к самопроизвольному образованию и смешиванию жидкостей высокой и низкой плотности. Результаты измерений в целом совпали с теоретическими расчетами и данными непрямых наблюдений. По словам ученых, это позволяет объяснить многие аномальные свойства воды, включая изменение ее плотности при охлаждении до 0–4 градусов Цельсия, низкую плотность льда и другие необычные особенности.