Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета просеяли экспериментальные данные, чтобы исследовать возможность того, что переохлажденная вода имеет фазовый переход жидкость-жидкость между неупорядоченными и тетраэдрически структурированными формами. Они нашли доказательства существования критической точки, основанной на совместном образовании тетраэдров, и показали ее незначительную роль в аномалиях воды. Эта работа показывает, что особые качества воды, которые необходимы для жизни, происходят главным образом из двух состояний.

Жидкая вода необходима для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, но многие ее свойства не согласуются с поведением других жидкостей. Некоторые из этих аномалий, такие как максимальная плотность воды при 4°C и ее большая теплоемкость, имеют важные последствия для живых организмов. Происхождение этих особенностей вызвало ожесточенные споры в научном сообществе еще со времен рентгена.

Теперь исследователи из Токийского университета использовали модель двух состояний, которая предполагает динамическое сосуществование двух типов молекулярных структур в жидкой воде. Это знакомая неупорядоченная структура нормальной жидкости и локально благоприятствуемая тетраэдрическая структура. Как и во многих других фазовых переходах, может быть "критическая точка", в которой корреляция между тетраэдрами принимает степенную форму, что означает, что больше не будет никакой "типичной" шкалы длин.

Используя компьютерное моделирование молекул воды, а также всесторонний анализ экспериментальных структурных, термодинамических и динамических данных, включая рентгеновское рассеяние, измерения плотности, сжимаемости и вязкости, исследователи смогли сузить область критической точки, если она существует.

"Если образование тетраэдрических структур в жидкой воде является кооперативным в этих условиях, то возможен фазовый переход жидкость-жидкость с критической точкой", - говорит ведущий автор Руй Ши.

Команда показала, что это происходит при температуре -90°C и давлении около 1700 атмосфер. Эксперименты в этом диапазоне чрезвычайно сложны: поскольку вода настолько ниже своего нормального уровня замерзания, кристаллы льда могут быстро образовываться. Однако образцы могут оставаться жидкими в метастабильном "переохлажденном" состоянии при этих очень высоких давлениях.

"Мы видели доказательства того, что критическая точка реальна, но ее влияние почти ничтожно в экспериментально доступной области жидкой воды, потому что она находится слишком далеко от критической точки. Это означает, что аномалии воды происходят от функции двух состояний, а не от критичности",-говорит старший автор Хадзиме Танака. Ученые предполагают, что этот проект приведет к сближению долгих дебатов о происхождении аномалий воды и более экспериментальным исследованиям для получения доступа ко второй критической точке воды.

ИСТОЧНИК