Незамерзайка чистой воды

Наверное, нет на свете более странной, более противоречивой жидкости, чем обычная вода. Она постоянно ведет себя не так. Превращаясь в лед при понижении температуры, она не увеличивает, а уменьшает свою плотность. Таким образом, лед не опускается на дно, а всплывает, давая возможность всему многообразию животных и растений водных экосистем переживать зиму. Ту же строптивость она проявляет в отношении и других своих качеств – таких, например, как сжимаемость и теплоемкость. Химически молекула воды издевательски проста – два атома водорода и один атом кислорода. Однако за счет химических (водородных) связей эти молекулы могут соединяться в 16 различных кристаллических структур, чем, собственно, и объясняются (или должны объясняться) все водяные странности.

Особенно таинственным представляется поведение так называемой «сверхохлажденной» воды.

Если вода очень чистая и не имеет в своем составе примесей, неоднородностей, которые стали бы «зернами кристаллизации», то в жидком состоянии она может находиться при температурах намного ниже нуля.

Однако при достижении некоего критического значения температуры она замерзает настолько быстро, что до сих пор еще никому не удавалось выяснить, почему это происходит и каков в данном случае механизм превращения ее в лёд.

Если задачу не получается решить физически, то ее можно попробовать решить виртуально, с помощью компьютерного моделирования. В последнее время такой метод исследования становится все более и более «модным», поэтому Валерия Молинеро и Эмили Мур, химики из Университета Юты, чья статья о воде появилась в сегодняшнем номере журнала Nature, были отнюдь не первыми, кто в попытке вырвать у воды ее тайны обратился к компьютеру.

Правда, у их предшественников с компьютером тоже не сложилось, поскольку такие расчеты отнимали слишком много времени и не давали ясной картины процесса замораживания воды, так как нужно было отследить многие тысячи событий, приводящих к кристаллизации. Молинеро и Мур создали свою собственную программу, в двести раз более быструю, чем предыдущие: они учитывали не атомы водорода и кислорода в отдельности, а вместо этого приняли за элементарную единицу молекулу воды, математически наделив ее свойством соединяться с другими молекулами за счет водородных связей.

Программа, даже ускоренная, работала многие тысячи часов, чтобы отследить поведение 32768 молекул (это намного меньше, чем капля воды), но в конце концов дала ожидаемый результат.

В первую очередь, ученые выяснили минимальную температуру, при которой вода теоретически может оставаться жидкостью, – минус 48 градусов Цельсия! При приближении к этой температуре с водой, даже самой чистой, происходит быстрое структурное превращение – ее молекулы начинают быстро собираться в компании по четыре штуки, образуя тетраэдры.

«Вода превращается во что-то еще, — говорит Молинеро – и это «что-то еще» очень близко ко льду».

Это «что-то еще» ученые назвали «промежуточным льдом».

Это еще не кристалл, но уже и не жидкость, это хаотическое собрание еще неупорядоченных кристаллических ячеек-тетраэдров. Кстати, «ледяное стекло», своеобразный аморфный водяной лед, тоже очень мало изученный, как выяснили ученые, на четверть состоит из этих тетраэдров.

А при температуре минус 48 градусов Цельсия эти тетраэдры выстраиваются в правильную решетку, промежуточный лед превращается в настоящий, при этом его плотность резко падает, а теплоемкость и сжимаемость резко возрастает (хотя в других жидкостях эти характеристики, наоборот, с понижением температуры падают). Именно это превращение и определяет высокую скорость кристаллизации сверхохлажденной воды, которая долгое время не давала ученым понять, что же на самом деле там происходит.

Итак, вот механизм, открытый химиками из Юты: на пути из жидкости в лед вода переходит в промежуточное состояние, сумбурный набор элементарных кристаллических ячеек, которые затем очень быстро организуются, превращаясь в идеальный кристалл.