Невероятно: у воды есть два жидких состояния

Вода может существовать в виде двух разных жидкостей, которые при определённых условиях даже не смешиваются друг с другом. Такой удивительный результат получили физики, проведя тончайшие эксперименты.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Science.

Каждому из нас со школьной скамьи известно, что вещество может находиться в трёх состояниях: твёрдом (как лёд), жидком (как вода при комнатной температуре) или газообразном (как водяной пар).

Но не всё так просто. У одного и того же вещества бывает много твёрдых состояний. Они отличаются тем, как атомы расположены друг относительно друга. А уж отсюда могут проистекать различия в самых разных свойствах: плотности, прочности, прозрачности и… рыночной стоимости. Например, графит и алмаз – два разных твёрдых состояния углерода, а между тем их очень трудно спутать, и ещё труднее превратить первое во второе.

У воды тоже есть несколько твёрдых состояний. Этих разновидностей льда больше десятка. Но лишь одна модификация образуется на поверхности Земли естественным образом. Остальные получаются либо в лаборатории, либо в экзотических уголках вроде земных недр.

Но несколько десятилетий назад теоретики выдвинули гипотезу, что и жидких состояний у этого привычного нам вещества больше одного.

"Гипотеза, что вода может существовать в двух различных жидких состояниях, была предложена примерно 30 лет назад на основе результатов компьютерного моделирования", – рассказывает соавтор статьи Николас Джовамбаттиста (Nicolas Giovambattista) из Городского университета Нью-Йорка.

Специалисты рассчитали, что "вторая вода" возникает при температуре около -70 °C и давлении в тысячи атмосфер. Она на 20% плотнее обычной воды из-за того, что молекулы располагаются теснее друг к другу. Поэтому эти две жидкости могут образовывать слои, не смешиваясь, как вода и масло.

Привычная вода таит ещё много загадок.
Иллюстрация CC0 Public Domain.

Однако проверить это предположение в эксперименте оказалось чрезвычайно сложно. Ведь в описанных условиях вода (как обычная, так и "аномальная") за доли секунды превращается в лёд. До недавнего времени физики просто не успевали обнаружить это неуловимое жидкое состояние до того, как оно перейдёт в твёрдое.

Авторы новой работы взяли этот барьер, применив два фемтосекундных лазера. Один из них, инфракрасный, они использовали для моментального нагрева льда и превращения его в жидкую воду. Другой, рентгеновский, зондировал образец, чтобы учёные могли узнать, в каком состоянии тот находится.

Исследователи зафиксировали появление своеобразных пузырей жидкости, содержащих "вторую" воду. Они существовали недолго: от 20 наносекунд до 3 микросекунд. При этом уже через несколько микросекунд вещество превращалось в лёд.

Итак, экспериментаторы блестяще подтвердили теоретический прогноз тридцатилетней давности. Кому и чем может быть полезно это достижение?

Отметим, что вода вообще очень необычное вещество с точки зрения физики и химии. Например, вода – поразительно хороший растворитель. И это её свойство лежит в основе физиологии всех живых существ. Напомним, что и человек на 60–70% состоит из воды и в каком-то смысле является большой вертикальной лужей.

У воды есть и ещё одно необычное качество. Почти все вещества в твёрдом состоянии плотнее, чем в жидком, а вода – наоборот. Поэтому лёд плавает в воде, и это большая удача для жителей водоёмов. Если бы лёд тонул, холодной зимой все реки и озёра промерзали бы до дна. Более того, в полярных широтах не образовывались бы плавучие морские льды – важнейший фактор климата. Вся жизнь на Земле выглядела бы иначе, не будь у привычной нам жидкости такого удивительного свойства.

Изучая свойства воды, учёные проникают в основы множества самых важных процессов, от биохимических до климатических.

Конечно, в человеческом организме или полярных шапках не встретить "воду II", только что открытую экспериментаторами. Ведь для её существования (и то мимолётного) требуются давления в тысячи атмосфер. Но этот феномен возникает благодаря неким свойствам воды, которые могут проявляться и в менее экзотических условиях, а значит, влиять на нашу жизнь.