Шведские физики из Стокгольмского университета с помощью рентгеновских лазеров экспериментально доказали существование критической точки в переохлажденной воде при температуре около -63 °C и давлении 1000 атмосфер. Результаты исследования, разрешающего многолетний научный спор, опубликованы в журнале Science.
Вода обладает уникальными свойствами: в отличие от других жидкостей, она достигает максимальной плотности при +4 °C, а при дальнейшем охлаждении начинает расширяться, из-за чего на ее поверхности образуется лед. Ученые давно подозревали, что водяные аномалии плотности, теплоемкости и вязкости связаны с существованием скрытой критической точки. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи охладили чистую воду до экстремально низких температур и подвергли ее воздействию сверхкоротких рентгеновских импульсов на установках в Южной Корее. Это позволило зафиксировать структуру жидкости за доли секунды до замерзания.
«Мы смогли сделать рентгеновский снимок невероятно быстро, до того как вода замерзла. Мы увидели, как переход между двумя жидкими фазами исчезает, уступая место новому критическому состоянию», — отметил профессор химической физики Андерс Нильссон.
Оказалось, что при глубоком переохлаждении вода может существовать в виде двух разных жидких фаз. Критическая точка — это условие, при котором граница между ними стирается, вызывая постоянные колебания между состояниями. Именно эта внутренняя нестабильность распространяется на большие диапазоны температур и давлений, вплоть до обычных условий, наделяя воду ее странными свойствами.
Кроме того, динамика системы в этой точке замедляется. «Похоже, из нее невозможно выбраться, почти как из черной дыры», — сравнил исследователь Робин Тибурски.
Споры о природе аномалий велись более века, начиная с ранних работ физика Вольфганга Рентгена. Теперь у ученых есть экспериментальное подтверждение теории. В ближайшие годы им предстоит выяснить, как именно это открытие повлияет на понимание биологических, химических и климатических процессов, ведь вода остается единственной сверхкритической жидкостью, где возможно существование жизни.
Ранее физики впервые увидели процесс превращения воды в «стекло» вместо льда.