Сложные отношения двух жидкостей в простой воде

Ученые совершили невероятное открытие, доказав, что проточная вода состоит из двух жидкостей высокой и низкой плотности, которые тесно взаимодействуют друг с другом. До недавнего времени обе разновидности воды обнаруживали свое присутствие лишь при самых низких температурах.

Миру известно более 70 различных свойств воды, которые отличают ее от всех остальных жидкостей. Надо понимать, что лед существует в двух формах — упорядоченной кристаллической и аморфной, причем лед второго типа может иметь как высокую, так и низкую плотность. Более того, эти формы обладают взаимной конвертацией, то есть они могут превращаться друг в друга.

Исследователи предполагали, что обе эти фазы могут быть связаны с низко- и высокоплотными формами жидкой воды, но доказать это экспериментально им пока не удавалось. Ученые из Аргоннской национальной лаборатории (США) и команда Исследовательского центра по физике частиц (DESY) в Гамбурге со всех сторон изучили так называемый аморфный лед, применяя передовые методы и самое современное рентгеновское оборудование. Во время первой работы были продемонстрированы различные структуры жидкости, а во второй — динамика перехода. Результаты их исследования недавно появились на страницах журнала Национальной академии наук США.

Аморфный лед — это лед, которого днем с огнем не найти в живой природе, поскольку жидкость охлаждают с такой бешеной скоростью, что молекулы не успевают сформировать упорядоченную кристаллическую структуру. Нечастый гость на планете Земля, и уж тем более не встречающийся в повседневной жизни аморфный лед, совершенно не похожий на замороженные кубики льда из морозильной камеры холодильника, обрел постоянную прописку в Солнечной системе.

"Аморфный лед существует в двух вариантах — с повышенной и с более низкой плотностью", — объясняет физик Феликс Лемкюлер, один из участников исследовательской группы. Один вариант обозначают по-английски High Density Amorphous Ice (HDA) — аморфный лед высокой плотности, второй — Low Density Amorphous Ice (LDA) — аморфный лед низкой плотности. "У HDA плотность примерно на 25% выше, чем у LDA", — продолжает Лемкюлер.

В течение некоторого времени ученые задавались вопросом, имеют ли обе эти разновидности льда соответствующие аналоги в воде, находящейся в привычном нам всем жидком состоянии. "Это довольно трудно установить. Когда они все время смешиваются, трансформируются друг в друга, то нет никакого способа их разделить", — сокрушается немецкий физик.

Во время проведения нынешнего эксперимента при низкой температуре (минус 163 градуса по Цельсию) ученые проследили за переходом аморфного льда из стеклообразной формы в вязкую плотную жидкость, которая при дальнейшем нагревании превратилась в еще более вязкую жидкость низкой плотности. В Аргоннской национальной лаборатории ученые также наблюдали, как внутренняя структура этого льда изменяется при нагревании от минус 150 градусов до минус 140 градусов по Цельсию. Аморфный лед при этом приобретал форму с меньшей плотностью.

Несмотря на то что эксперименты проводились при максимально низкой температуре, авторы работы полагают, что и при комнатной температуре вода представляет собой некое сочетание двух жидкостей и не может выбрать, какую форму ей принять.

"Особенно интересно, что новая информация была получена благодаря рентгеновским лучам, ведь еще Вильгельм Рентген предполагал, что вода может существовать в двух разных формах, а взаимодействие между ними может привести к проявлению ее необычных свойств", — добавляет Даниэль Мариэдаль из Стокгольмского университета.

Сказанное подытожим словами соавтора исследования Ларса Петерсона, профессора теоретической химической физики в университете Стокгольма: "Вода не является сложной жидкостью, но две простые жидкости в ней состоят в сложных отношениях".