Вода может застывать в стекло, а не в лёд — физики впервые увидели это своими глазами

Вода покрывает около семидесяти процентов поверхности Земли и составляет примерно шестьдесят процентов массы нашего тела. И всё же она остаётся научной аномалией. Как водный Джекилл и Хайд, вода кристаллизуется при низких температурах, принимая знакомую форму льда. Или она может стать «стеклянной водой» — с аморфной, беспорядочной молекулярной структурой.

Эта странная форма воды встречается в стратосферных облаках в полярных широтах. Она также помогает холодолюбивым организмам предотвращать повреждения клеток, вызванные кристаллами льда, при температурах, от которых стынет кровь. Однако превращение воды из жидкости в стекло в значительной степени оставалось скрытым от методов наблюдения.

Когда вода замерзает, она обычно образует кристаллы льда, которые сцепляются в жёсткую, упорядоченную структуру. Это происходит при температурах вплоть до минус сорока пяти градусов Цельсия, ниже которых лежит обширная, плохо изученная тепловая пустошь, называемая учёными «ничейной землёй». Считалось, что стеклянный переход объёмной воды происходит где-то около минус ста тридцати пяти градусов, но кристаллический лёд мешал исследователям добраться до этого стеклянного обрыва.

В новом исследовании учёные решили эту проблему, поймав воду в матрицу, вдохновлённую природными уловками, и поняли, что всё это время пропускали стеклянное превращение воды в размытии кристаллизации. Физики заперли крошечные количества воды — всего в несколько молекул толщиной — между двумя липидными слоями, сделанными из особого «прозрачного» типа фитантриола, жирного спирта, который остаётся структурно стабильным и текучим в холодных температурных режимах. Запертая таким образом, вода не могла кристаллизоваться при понижении температуры, что позволило исследователям отследить её переход из жидкости в стекло с впечатляющей детализацией.

К удивлению, они обнаружили, что это стеклянное превращение возникает в гораздо более широком — и более высоком — температурном диапазоне, чем считалось ранее.

Чтобы отследить поведение воды на субнанометровых масштабах, команда физиков под руководством Раффаэле Медзенги из Высшей технической школы Цюриха в сотрудничестве с учёными из Австралийской организации ядерной науки и технологий объединила вычислительные модели с набором передовых методов атомного зондирования. Один из наблюдательных путей использовал пучок малоуглового и широкоуглового рентгеновского рассеяния, чтобы картировать структуру воды, запертой в липидной матрице при разных температурах, с помощью интенсивно ярких рентгеновских лучей, производимых в синхротроне, или ускорителе частиц.

Команда также использовала два спектрометра для обнаружения молекулярных колебаний и выявления движения атомов водорода внутри образца. «Нейтронный сигнал, обнаруженный нашим прибором, определяется движениями атомов водорода в воде, — объясняет Алиса Клаппрот, научный сотрудник Австралийской организации ядерной науки и технологий. — Это позволяет нам избирательно измерять динамику воды, даже когда вода заключена в сложной мягкой матрице».

В общей сложности исследователи обнаружили замедление динамики запертой воды, происходящее в удивительно широком диапазоне — от минус шестидесяти трёх до минус двадцати градусов Цельсия. Это изменение они изучили в шести временных порядках величины, от миллионных до всего лишь триллионных долей секунды. В частности, драматическое изменение молекулярной динамики происходит примерно от минус тридцати пяти до минус двадцати одного градуса, когда кинетическое действие молекул воды становится вялым. А статический стеклянный структурный переход происходит между минус семьюдесятью четырьмя и минус шестьюдесятью четырьмя градусами, когда вода запирается в неорганизованное стеклянное твёрдое состояние. Затем, когда температура падает по-настоящему, она начинает трескаться, как ледяная инопланетная плита арахисовой хрустящей карамели.

Помимо освещения динамики обычного, но всё ещё загадочного вещества, это исследование может привести к практическим применениям. «В более общем плане и за пределами чисто фундаментальных аспектов наши результаты несут непосредственную и более широкую значимость для всех физических явлений, включающих криогенно наноконфайнную воду, таких как криоконсервация биологического материала и глубокое замораживание пищи, — заключают исследователи. — Приведут ли такие применения к улучшению восстановления консервированных тканей или к революционному гладкому сорту мороженого, ещё предстоит увидеть».