Энджелл, профессор-регент в Школе молекулярных наук АГУ, большую часть своей выдающейся карьеры посвятил изучению некоторых наиболее любопытных физических свойств воды. В новом исследовании, только что опубликованном в журнале Science (9 марта), Энджелл и его коллеги из Амстердамского университета впервые наблюдали одно из наиболее интригующих свойств, предсказанных теоретиками воды, — что при достаточном переохлаждении и при определенных условиях он внезапно переходит от одной жидкости к другой. Новой жидкостью по-прежнему является вода, но теперь она имеет более низкую плотность и другое расположение молекул с водородными связями с более прочными связями, что делает ее более вязкой.
«Это не имеет ничего общего с« поли-водой », — добавляет Энджелл, вспоминая научное фиаско много десятилетий назад. Новым явлением является фазовый переход жидкость-жидкость, и до сих пор он был замечен только при компьютерном моделировании водных моделей.
Проблема с непосредственным наблюдением этого явления в реальной воде заключается в том, что незадолго до того, как теория утверждает, что это должно произойти, настоящая вода внезапно кристаллизуется в лед. Это было названо «занавесом кристаллизации», и оно на десятилетия сдерживало прогресс в понимании физики воды и воды в биологии.«Область между этой температурой кристаллизации и гораздо более низкой температурой, при которой стекловидная вода (образованная отложением молекул воды из пара) кристаллизуется во время нагрева, была известна как« ничейная земля », — сказал Энджелл. «Мы нашли способ отодвинуть« занавес кристаллизации »ровно настолько, чтобы увидеть, что происходит за ним — или, вернее, под ним», — сказал Энджелл.Фазовые переходы воды важно понимать для множества приложений.
Например, хорошо известное разрушительное пучение бетонных дорог и пешеходных дорожек зимой связано с фазовым переходом от воды к льду под бетоном. Фазовый переход между жидкими состояниями, описанный в данной работе, имеет много общего с переходом в лед, но он происходит при гораздо более низкой температуре, примерно -90 C (-130 F), и только в условиях переохлаждения, поэтому он в обозримом будущем скорее всего останется в основном научным курьезом.
Энджелл объяснил, что пару лет назад он и его научный сотрудник Цзофэн Чжао изучали термическое поведение особого типа «идеального» водного раствора, который они использовали для изучения сворачивания и разворачивания глобулярных белков. Они хотели наблюдать способность этих растворов переохлаждаться, а затем стекловаться.
В поисках предела стекловидной области они добавили дополнительную воду, чтобы повысить вероятность кристаллизации льда, и обнаружили, что вместо окончательного выделения тепла по мере кристаллизации льда (оставляя остаточный незамерзший раствор), как это обычно происходит при охлаждении солевых растворов, оно фактически выделяется. нагрейте до образования новой жидкой фазы.Новая жидкость была намного более вязкой, может быть, даже стеклянной. Более того, изменив направление изменения температуры на противоположное, Энджелл и Чжао обнаружили, что они могут преобразовать новую фазу обратно в исходный раствор до того, как лед начнет кристаллизоваться.
«Это наблюдение, опубликованное в Angewandte Chemie, вызвало значительный интерес, но не было структурной информации, объясняющей происходящее», — сказал Энджелл. Ситуация изменилась, когда два лета назад Энджелл посетил Амстердамский университет и встретил Сандера Воутерсена, специалиста по инфракрасной спектроскопии, который очень заинтересовался структурными аспектами этого явления.В научной статье команда с Воутерсеном, его учеником Михилем Хильберсом и его коллегой по вычислениям Берндом Энсингом теперь показала, что структуры, участвующие в переходе жидкость-жидкость, имеют те же спектральные характеристики и те же модели водородных связей, что и проявляется в двух известных стеклянных формах льда, полученных трудоемкими альтернативными процессами (аморфные твердые фазы воды с высокой и низкой плотностью).
«Обнаруженный нами переход жидкость-жидкость теперь рассматривается как« живой аналог »перехода между двумя стеклянными состояниями чистой воды, о котором сообщалось в 1994 году, с использованием чистого давления в качестве движущей силы», — пояснил Энджелл.Результаты, казалось бы, «предоставляют прямые доказательства существования перехода жидкость-жидкость за« занавеской кристаллизации »в чистой воде», — сказал Воутерсен, добавив, что результаты предлагают общее объяснение термодинамических аномалий жидкой воды и подтверждение «теории второй критической точки», выдвинутой группой Джина Стэнли для объяснения этих аномалий.
«Такое поведение почти уникально среди множества известных молекулярных жидкостей», — добавил Энджелл. «Считается, что это проявляется лишь в нескольких других веществах, но на сегодняшний день ни одно из них не было доказано».