Лёд можно расплавить при температуре ниже нуля

Американские физики выяснили, что многие сплавы и другие твердые вещества, в том числе и лед, можно превратить в жидкость при температурах заметно ниже их точки плавления, особым образом варьируя давление.

"Так как преобразующие фазовые переходы являются фундаментальным процессом в природе, наше исследование дало нам новую информацию о том, как разные материалы меняют свои свойства. Возможно, что и другие вещества могут трансформироваться аналогичным образом", — заявил Гоинь Шэнь из Института науки Карнеги в Вашингтоне (США).

Помимо классической тройки "газ — жидкость — твердое вещество" и примкнувшей к ним плазмы, существует и несколько экзотических вариаций агрегатных состояний, в которых некоторые соединения или элементы могут находиться неограниченно долгое время. К примеру, при определенных обстоятельствах вода остается жидкой при температурах ниже нуля. Аналогичным образом ведут себя углекислота и ряд других соединений, а также сплавов.

Это состояние, так называемая "сверхохлажденная жидкость", играет большую роль в формировании облаков в атмосфере Земли, а также широко используется в промышленности и пищевой индустрии. Физики и химики сегодня активно изучают свойства таких соединений и изобретают новые способы их получения.

Шэнь и его коллеги, в том числе россиянин Станислав Синогейкин, открыли принципиально новый способ получения сверхохлажденных жидкостей, используя метод "от противного". Как объясняют ученые, обычно физики и инженеры получают такие жидкости, охлаждая их особым образом и в особых условиях до температур ниже точки превращения в твердую материю.

Ученые из Института науки Карнеги пошли обратным путем: они пытались заставить твердый материал расплавиться до того, как его температура достигнет точки плавления.

Подобный подход интересен не только с научной точки зрения, но и для решения целого ряда практических задач, в том числе транспортировки и "растворения" материалов, которые обычно являются твердой материей, а не жидкостью. К примеру, многие геологи считают, что материя ядра Земли и окружающей его мантии может быть такой метастабильной "супержидкостью", свойства которой следует учитывать при изучении недр планеты.

Выжать воду из камня

Руководствуясь подобной аналогией, команда Шэня экспериментировала с кристаллами висмута – редкоземельного металла, использующегося в обрабатывающей промышленности и в качестве базы для ряда катализаторов и научных приборов. Одним из самых интересных свойств висмута является то, что его плотность в виде твердого металла заметно ниже, чем плотность расплава. Это делает его очень похожим на воду, которая тоже обладает подобными аномальными свойствами.

Пытаясь воспроизвести условия в центре Земли, Шэнь и его коллеги сжимали висмут в алмазных тисках до давления, превышающего атмосферное в 30 тысяч раз, а затем плавно опускали его до уровня в 12 тысяч атмосфер, наблюдая, что происходит с кристаллами металла. При этом висмут был нагрет всего до 215 градусов Цельсия, что почти на 60 градусов меньше температуры его плавления в нормальных условиях.

Как показали эти опыты, подобная процедура приводит к превращению висмута в сверхохлажденную жидкость в момент, когда давление падает до точки в 24 тысячи атмосфер (2,3 гигапаскаля). В таком состоянии, по словам ученых, висмут может находиться на протяжении многих часов или даже дней, пока его не нагреют или не охладят. Это позволяет ученым говорить о том, что материя в недрах Земли действительно может быть подобной жидкостью.

Схожим образом, как считают ученые, можно расплавить и другие материалы, способные превращаться в сверхохлажденные жидкости. Их создание и изучение поможет лучше понять, какие процессы управляют их рождением и как их можно использовать в повседневной жизни, науке и промышленности.