Вода очень необычно реагирует на очень низкие температуры. Начнем с того, что при охлаждении, вопреки логике, вода не сжимается, а расширяется (именно поэтому лед имеет свойство плавучести). Холодная вода обладает меньшей сжимаемостью, чем горячая. Более того, при заморозке молекулы воды могут всячески менять свое расположение.
Всему этому сложно найти объяснения, причем существующие теории вызывают ожесточенную полемику в научных кругах. Одна из них была сформулирована почти три десятилетия назад и заключалась в том, что ледяная вода может существовать в двух разных жидких формах, одна из которых обладает менее плотной структурой. Другими словами, существует два вида воды, каждый из которых является отдельной жидкостью. Доказать эту теорию в лаборатории сложно, но итальянским ученым удалось найти доказательства в ее защиту. Исследование было недавно опубликовано в журнале Science.
В своем исследовании ученые Пабло Дебенедетти и Гюль Х. Зерце из Принстонского университета и Франческо Шортико из Ла Сапиенца в Риме предполагают, что «вторая критическая точка воды» возникает при температурах от —83 до —100 градусов и при атмосферном давлении почти в 2000 раз выше, чем давление над уровнем моря. Критическая точка — это единственное значение температуры и давления, при котором две фазы вещества становятся неразличимыми, и происходит это непосредственно перед тем, как вещество переходит из одной фазы в другую. Вода, например, имеет хорошо известную критическую точку при переходе от жидкости к пару.
«Только вообразите нашу радость, когда мы увидели, что критические колебания протекают именно так, как мы и предполагали, — объясняет Сортино, — теперь я могу спать спокойно, потому что спустя 25 лет моя идея наконец-то нашла подтверждение».
До сих пор эксперименты с использованием реальных молекул воды для проверки второй критической точки «суперохлаждения» воды не могли дать однозначных доказательств его существования. По словам Дебенедетти, это во многом связано с тем, что ледяная вода обычно превращается в лед.
По этой причине исследователи решили прибегнуть к использованию компьютерных моделей. Процесс по-настоящему трудоемкий: несмотря на высокую мощность современных суперкомпьютеров, для создания моделей ученые 18 месяцев занимались необходимыми вычислениями.
В симуляциях, когда температура была еще далека от точки замерзания, плотность воды начала сильно колебаться. В итоге ученым удалось обнаружить критическую точку, которую они искали в двух разных компьютерных моделях воды. При этом для поиска критической точки воды в обеих моделях были применены разные вычислительные подходы.
Как и при переходе от жидкой фазы к газовой фазе, ледяная вода может переходить в две разные фазы, в зависимости от того, как перегруппировались ее молекулы. Таким образом, в жидкости низкой плотности четыре молекулы группируются вокруг центральной молекулы, образуя тетраэдр. Однако в жидкости с более высокой плотностью в игру вступает шестая молекула, что приводит к увеличению ее плотности.
В своей статье исследователи пишут, что «в пределах наших вычислительных возможностей было доказано существование метастабильной критической точки в стадии глубокого охлаждения молекул воды».
Естественно, теперь этот вывод должен быть подтвержден другими экспериментами, «использующими более точные и дорогие вычислительные средства».
