Вода, как обычная, так и необходимая для жизни на Земле, ведет себя очень странно по сравнению с другими веществами. То, как плотность, удельная теплоемкость, вязкость и сжимаемость воды реагирует на изменения давления и температуры, полностью противоположно тому, как мы знаем другие жидкости.Все мы знаем, что вся материя сжимается при охлаждении, что приводит к увеличению плотности.
Следовательно, можно ожидать, что вода будет иметь высокую плотность при температуре замерзания. Однако, если мы посмотрим на стакан с ледяной водой, все будет перевернуто, поскольку мы ожидаем, что вода при 0 ° C, окруженная льдом, должна быть на дне стакана, но, конечно, как мы знаем, кубики льда плавают. Как ни странно для жидкого состояния, вода является самой плотной при 4 градусах Цельсия, и поэтому она остается на дне, будь то в стакане или в океане.
Если охладить воду ниже 4 градусов, она снова начнет расширяться. Если вы продолжите охлаждать чистую воду (где скорость кристаллизации низкая) до уровня ниже 0, она продолжит расширяться — расширение даже ускоряется, когда становится холоднее. Многие другие свойства, такие как сжимаемость и теплоемкость, становятся все более странными по мере охлаждения воды. Теперь исследователям из Стокгольмского университета с помощью ультракоротких рентгеновских импульсов рентгеновских лазеров в Японии и Южной Корее удалось определить, что вода достигает пика своего странного поведения при -44 ° C.
Вода уникальна, поскольку может существовать в двух жидких состояниях, которые по-разному связывают молекулы воды вместе. Вода колеблется между этими состояниями, как будто не может принять решение, и эти колебания достигают максимума при -44 ° C. Именно эта способность переходить из одного жидкого состояния в другое придает воде ее необычные свойства, а поскольку флуктуации увеличиваются при охлаждении, также увеличивается странность.«Что было особенным, так это то, что мы смогли сделать рентгеновские лучи невообразимо быстро, прежде чем лед замерз, и могли наблюдать, как он колеблется между двумя состояниями», — говорит Андерс Нильссон, профессор химической физики Стокгольмского университета. «На протяжении десятилетий существовали предположения и различные теории, объясняющие эти замечательные свойства и то, почему они становятся сильнее, когда вода становится холоднее. Теперь мы нашли такой максимум, что означает, что должна быть критическая точка и при более высоких давлениях».
Другой примечательный вывод исследования заключается в том, что необычные свойства обычной и тяжелой воды различаются, а более легкая вода усиливается. «Приведенные здесь различия между двумя изотопами, H2O и D2O, показывают важность ядерных квантовых эффектов», — говорит Кьюнг Хван Ким, постдоктор кафедры химической физики Стокгольмского университета. «Возможность сделать новые открытия в такой изучаемой теме, как вода, совершенно увлекательна и является большим источником вдохновения для моих дальнейших исследований», — говорит Александр Спа, аспирант по химической физике Стокгольмского университета.«Это была сбывшаяся мечта — иметь возможность измерять воду при таких низких температурах без замерзания», — говорит Харшад Патхак, постдоктор кафедры химической физики Стокгольмского университета. «В мире было сделано много попыток найти этот максимум».
«Споры о происхождении странных свойств воды ведутся уже более века с момента появления первых работ Вольфганга Рентгена», — поясняет Андерс Нильссон. «Исследователи, изучающие физику воды, теперь могут основываться на модели, согласно которой вода имеет критическую точку в режиме переохлаждения. Следующим этапом является определение местоположения критической точки с точки зрения давления и температуры. Большая проблема в ближайшие несколько лет . "