Что такое супер жидкая вода

Вода необычной формы может быть самой распространенной во Вселенной

Недавно в Лаборатории лазерной энергетики в Брайтоне, штат Нью-Йорк, один из самых мощных лазеров в мире ударил в каплю воды, создав ударную волну, которая подняла давление в этой воде до миллионов атмосфер, а температуру — до тысяч градусов. Рентгеновские лучи, которые прошли через эту каплю в ту же долю секунды, явили человечеству первый проблеск воды в таких экстремальных условиях. Они показали, что вода внутри ударной волны не стала перегретой жидкостью или газом. Нет, вода замерзла.

Оказывается вода может быть разной формы.

Как это ни парадоксально, атомы воды замерзли, образовав кристаллический лед. Впрочем, как и предполагали физики, щурящиеся на экраны в соседней комнате.

«Вы слышите выстрел и в тот же момент видите, что произошло нечто интересное», говорит Мариус Милло из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, который проводил эксперимент вместе с Федерикой Коппари.

Что происходит с водой при высоком давлении и температуре?

Результаты этой работы, опубликованной на этой неделе в Nature, подтверждают существование «суперионного льда», новой фазы воды с причудливыми свойствами. В отличие от знакомого вам льда, который можно найти в морозилке или на северном полюсе, суперионный лед черный и горячий. Кубик такого льда весил в четыре раза больше обычного. Впервые его существование было предсказано более 30 лет назад, и хотя его до сих пор никогда не видели, ученые считают, что он может быть одним из самых распространенных видов воды во Вселенной.

Даже в Солнечной системе большая часть воды, вероятно, находится в форме суперионного льда — в недрах Урана и Нептуна. Ее больше, чем жидкой воды в океанах Земли, Европы и Энцелада. Открытие суперионного льда могло бы решить старые загадки о составе этих «ледяных гигантов».

Ученые уже обнаружили восемнадцать изумительных архитектур ледяного кристалла, включая гексагональное расположение молекул воды в обычном льду (Ih). После льда-I, который бывает двух форм, Ih и Ic, остальные формы пронумерованы от II до XVII по порядку открытия. Да, «лед-9» на самом деле существует, но его свойства вовсе не такие, как в романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки».

Суперионный лед может претендовать на мантию льда-XVIII. Это новый кристалл, но есть в нем одно но. Все ранее известные водяные льды состоят из неповрежденных молекул воды, в которых один атом кислорода связан с двумя атомами водорода. Но суперионный лед, как показывают новые измерения, не такой. Он существует в некоем сюрреалистическом лимбе, наполовину твердом, наполовину жидком. Отдельные молекулы воды распадаются. Атомы кислорода формируют кубическую решетку, но атомы водорода разливаются свободно, протекая, как жидкость, через жесткую клетку кислорода.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Специалисты говорят, что обнаружение суперионного льда оправдывает компьютерные прогнозы, которые могут помочь физикам-материаловедам создавать будущие вещества с индивидуальными свойствами. А обнаружение этого льда требовало сверхбыстрых измерений и точного контроля температуры и давления, что стало возможным лишь в условиях усовершенствования экспериментальных методов.

«Все это было невозможно сделать, скажем, пять лет назад», говорит Кристоф Зальцманн из Лондонского университетского колледжа, который открыл льды-XIII, -XIV и XV. «Это безусловно окажет огромное влияние».

Физик Ливия Бове из Национального центра научных исследований Франции считает, что поскольку молекулы воды распадаются, это не совсем новая фаза воды. «Это новое состояние вещества, что довольно впечатляюще».

Паззлы на льду

Физики охотились за суперионным льдом много лет — с тех пор, как примитивная компьютерная симуляция Пьерфранко Демонтиса в 1988 году предсказала, что вода примет эту странную, почти металлическую форму, если вытолкнуть ее за пределы карты известных ледяных фаз.

Моделирование показало, что под сильным давлением и теплом молекулы воды разрушаются. Атомы кислорода заключаются в кубическую решетку, а «водород начинает прыгать из одного положение в кристалле в другое, снова и снова», говорит Милло. Эти прыжки между узлами решетки настолько быстрые, что атомы водорода — которые ионизируются, превращаясь, по сути, в положительно заряженные протоны — ведут себя как жидкость.

Появилось предположение, что суперионный лед будет проводить электричество, как металл, и водород будет выполнять роль электронов. Наличие этих свободных атомов водорода также усилит беспорядочность льда, его энтропию. В свою очередь, увеличение энтропии сделает лед стабильнее, чем другие виды ледяных кристаллов, в результате чего его температура плавления вырастет.

Представить это все легко, поверить в это — трудно. Первые модели использовали упрощенную физику, продираясь сквозь квантовую природу реальных молекул. Более поздние симуляции добавили больше квантовых эффектов, но все же обошли фактические уравнения, необходимые для описания взаимодействия нескольких квантовых тел, которое слишком трудно рассчитать. Вместо этого они полагались на приближения, что повышало вероятность того, что весь этот сценарий окажется миражом в симуляции. Эксперименты, между тем, не могли создать необходимое давление и произвести достаточно тепла, чтобы расплавить это прочное вещество.

И когда все уже забросили эту затею, планетологи высказали собственные подозрения, что у воды может быть суперионная фаза льда. Примерно в то же время, когда эта фаза была впервые предсказана, зонд «Вояджер-2» отправился во внешнюю солнечную систему и обнаружил что-то странное в магнитных полях ледяных гигантов Урана и Нептуна.

Поля вокруг других планет Солнечной системы, по-видимому, состоят из строго определенных северного и южного полюса, без особой другой структуры. Похоже на то, как будто в них находятся стержневые магниты, выровненные по осям вращения. Планетологи связывают это с «динамо»: внутренними областями, где проводящие жидкости поднимаются и вращаются по мере вращения планеты, создавая огромные магнитные поля.

Напротив, магнитные поля, исходящие от Урана и Нептуна, выглядели более громоздкими и сложными, с более чем двумя полюсами. Они также не выравнивались близко к вращению своих планет. Один из способов добиться такого состоит в том, чтобы каким-то образом ограничить проводящую жидкость, ответственную за динамо, лишь тонкой внешней оболочкой планеты, вместо того, чтобы позволить ей проникнуть внутрь ядра.

Но идея о том, что эти планеты могут иметь твердые ядра, не способные генерировать динамо, не казалась реалистичной. Если бы вы пробурили эти ледяные гиганты, вы бы ожидали сперва столкнуться со слоем ионной воды, которая будет течь, проводить токи и участвовать в динамо. Кажется, что даже более глубокий материал, даже при более высоких температурах также будет жидкостью, но это наивно. У планетологов есть шутка о том, что недра Урана и Нептуна вообще не могут быть твердыми. Но оказалось, что могут.

Взрывной лед

Коппари, Милло и их команда собрали кусочки головоломки вместе.

В более раннем эксперименте, опубликованном в феврале 2018 года, физики получили косвенные доказательства существования суперионного льда. Они сжимали каплю воды комнатной температуры между заостренными концами двух ограненных алмазов. Когда давление поднялось примерно до гигапаскаля, что примерно в 10 раз больше, чем на дне Марианской впадины, воды превратилась в тетрагональный кристалл, лед-VI. На 2 гигапаскалях он перешел в лед-VII, более плотную, кубическую форму, прозрачную для невооруженного глаза, которая, как недавно обнаружили ученые, также существует в крошечных карманах внутри природных алмазов.

Такая вода нам привычна.

Затем, используя лазер OMEGA в Лаборатории лазерной энергетики, Милло и его коллеги нацелились на лед-VII, все еще зажатый между алмазными наковальнями. Когда лазер ударил по поверхности алмаза, он испарил материал вверх, по сути отбросив алмаз в противоположном направлении и отправив ударную волну через лед. Команда Милло обнаружила, что сверхсдавленный лед расплавился при температуре порядка 4700 градусов по Цельсию, как и ожидалось для суперионного льда, и что он проводил электричество, благодаря движению заряженных протонов.

После того, как прогнозы относительно объемных свойств суперионного льда подтвердились, новое исследование Коппари и Милло должно было подтвердить его структуру. Если вы хотите подтвердить кристаллическую природу, вам нужна дифракция рентгеновских лучей.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

Их новый эксперимент пропустил лед-VI и лед-VII вообще. Вместо этого команда просто разбила воду между алмазными наковальнями лазерными выстрелами. Спустя миллиардные доли секунды, пока ударные волны проникали сквозь и вода начала кристаллизоваться в нанометровые кубики льда, ученые добавили еще 16 лазерных лучей, чтобы испарить тонкий кусок железа рядом с образцом. Получившаяся плазма залила кристаллизующуюся воду рентгеновскими лучами, которые затем дифрагировали от кристаллов льда и позволили команде различить их структуру.

Атомы в воде перестроились в давно предсказанную, но никогда ранее не виданную архитектуру, лед-XVIII: кубическую решетку с атомами кислорода на каждом углу и в центре каждой грани.

«Это настоящий прорыв», говорит Коппари.

«Тот факт, что существование этой фазы не является артефактом квантово-молекулярного динамического моделирования, а вполне реально — это очень радует», говорит Бове.

Что такое супер лед

И такого рода успешная перекрестная проверка как моделирования, так и настоящего суперионного льда предполагает, что конечная «мечта» исследователей физики материалов может быть вскоре достигнута. «Вы говорите мне, какие свойства материала вам нужны, мы идем к компьютеру и теоретически выясняем, какой материал и какая кристаллическая структура вам нужна», говорит Раймонд Джанлоз, ученый Калифорнийского университета в Беркли.

Новый анализ также намекает на то, что хотя суперионный лед действительно проводит некоторое электричество, он является рыхловатым, но твердым веществом. Он будет понемногу растекаться, но течь — нет. Таким образом, жидкие слои внутри Урана и Нептуна могут остановиться примерно на 8000 километрах вглубь планеты, где начнется огромная мантия зыбкого суперионного льда. Это ограничивает большинство действий динамо на меньших глубинах, учитывая необычные поля планет.

Другие планеты и луны Солнечной системы, вероятно, не располагают внутренними температурами и давлениями, которые позволили бы существовать суперионному льду. Но множество экзопланет размеров ледяных гигантов позволяют предположить, что это вещество — суперионный лед — будет распространен в ледяных мирах по всей галактике.

Конечно, ни одна планета не будет содержать одну только воду. Ледяные гиганты в нашей Солнечной системе также замешаны из метана и аммиака. Степень, в которой суперионное поведение на самом деле находит место в природе, «будет зависеть от того, существуют ли эти фазы, когда мы замешиваем воду с другими материалами», говорят ученые. Впрочем, суперионный аммиак также должен существовать.

Эксперименты продолжаются. Как думаете, узнаем ли мы однажды, что находится в центре крупнейших тел в нашей Солнечной системе? Поделитесь мнением в нашем чате в Телеграме.

Источник

Состояния воды в природе: условия перехода, необычные факты

Удивительная вода: Freepick

Известные человечеству состояния воды не ограничиваются тремя базовыми вариантами, о которых большинство слышало в школе. Как создать горячий лед или сухую воду? Возможно ли наблюдать воду сразу жидкой, твердой и газообразной? Как на эти и многие другие вопросы отвечает наука?

Три состояния воды в природе

Воду как прозрачную жидкость, у которой отсутствует запах и вкус, знают все. Но только ли такой она бывает? Прежде чем ответить на вопрос о том, каковы возможные агрегатные состояния воды, выясним, что такое агрегатное состояние.

В физике под этим понятием подразумевают состояние вещества, обусловленное определенной температурой и давлением. Науке известно:

• газообразное;
• твердое;
• жидкое состояние вещества.

При этом одно и то же вещество может менять свое состояние в зависимости от условий окружающей среды.

Экология человека: что это такое и что изучает наука

Хорошо известны три агрегатных состояния воды:

1. Твердое состояние воды (лед). В этом состоянии частички воды имеют друг с другом сильную взаимосвязь. Кубик льда хорошо сохраняет форму, он довольно прочный и твердый на ощупь.
2. Жидкое состояние. В нем частицы теряют строгую упорядоченность. Связи между ними разрушаются, а жидкость принимает форму того сосуда, в который она помещена. Однако молекулы все еще располагаются достаточно близко друг к другу.
3. Газообразное состояние воды (пар). В этом состоянии частички максимально беспорядочно двигаются, а расстояния между ними становятся очень большими.

Состояние воды прямо связано с температурой. Эта жидкость обладает уникальным свойством: свое жидкое состояние она сохраняет в широком диапазоне от 0 до 100 °С. В верхней точке начинается закипание с постепенным переходом в газообразную фазу. При снижении температуры ниже 0 °С происходит образование льда.

Интересные факты о воде для школьников

При этом в природе можно часто увидеть, как вода и лед соседствуют друг с другом, а в этом время над ними витает невидимый глазу водяной пар. Благодаря таким удивительным способностям воды происходит ее постоянный круговорот в природе.

Жидкое состояние воды: Freepick

Если рассматривать все три состояния воды, то жидкое остается одним из наиболее важных. Жидкая вода служит универсальным растворителем для множества других веществ, является основным компонентом организма человека и средой для протекания всех химических процессов.

Более того, именно у жидкой воды ученым удалось обнаружить дополнительные состояния — «обычная» и «аномальная» вода. Последняя образуется при температуре –63 °С и может находиться в одном из двух состояний:

Теплопроводность воды и льда и их особенности

• иметь низкую плотность при низком давлении;
• иметь высокую плотность при высоком давлении.

Две эти жидкости заметно различаются по свойствам, а их плотность отличается на 20%, поэтому они не могут смешиваться между собой. Как ученым удалось уловить эти состояния, ведь хорошо известно, что происходит с водой при замерзании: она переходит в твердую фазу — в лед?

Авторам исследования понадобились специальные приборы. С помощью инфракрасного лазера лед нагревали, при этом образовывалась жидкая вода с высокой плотностью, а давление сохраняли повышенным.

За этим процессом вели наблюдение рентгеновским лазером. Было замечено образование пузырьков «аномальной» воды. Появлялись они на крайне маленький промежуток времени: были видны до 3-х микросекунд.

Чем отличается парфюмерная вода от туалетной воды, духов и одеколона

Эти исследования доказали, что ученым еще далеко не все известно о воде, хотя мы и сталкиваемся с ней ежедневно и ежечасно. Ее свойства продолжают изучать и открывать новые грани.

Состояния воды: необычные факты

Твердое состояние воды (лед): Freepick

Ученым оказалось недостаточно трех агрегатных состояний воды, поэтому они изобрели целый ряд необычных вариантов и продолжают работать в этом направлении.

Лед VII (горячий лед)

Для обычного холодного льда используется обозначение «лед Ih». Когда при нормальном давлении снижается температура и вода замерзает, то атомы кислорода в ее молекулах образуют шестигранники.

Если же давление будет возрастать, то можно получить лед VII, атомы которого располагаются в виде куба. Он очень противоречив:

Тест на стихию: какая стихия подходит вам

1. Этот лед горячий, так как формируется в необычных условиях.
2. На Земле он мог бы образоваться глубоко под мантией, в области высокого давления.
3. Но там и температура очень высока, из-за чего вода сразу же испаряется.

Ученым удалось создать такой лед в лаборатории. Кроме того, он был обнаружен в алмазах, которые нашли в недрах нашей планеты.

Сухая вода

Ее получают путем смешивания обычной воды и двуокиси кремния. Несмотря на то что жидкости в ней 25%, она является сухим веществом. Сахарообразные крупинки внутри содержат воду, а сверху покрыты оксидом кремния.

Сухую воду создали в 1968 для нужд косметологии. Затем о ней забыли, а сейчас рассматривают варианты использования для поглощения углекислого газа, чтобы хранить и транспортировать химикаты.

Почему снег белый: пояснения, интересные факты

Сверхзвуковой лед

Этот лед также называют льдом XVIII. Он образуется при очень сильном повышении давления и температурных показателей — до тысяч градусов и миллионов атмосфер. В горячем плотном и черном на виде веществе узнать лед очень трудно.

Получить его экспериментально удалось совсем недавно с применением мощных лазеров, которые создавали ударные волны, мгновенно повышая температуру и давление. При этом происходило разделение атомов водорода и кислорода с параллельным образованием твердых кристаллов.

Сверхкритическая вода

Вода может стать такой из газообразного состояния. Это очень странный пар, который нельзя назвать газом. Образование такой воды происходит при 373 °С и давлении 220 бар. Снова жидкой она уже стать не может. Такая вода способна проходить сквозь твердые вещества, как газы, и быть растворителем подобно жидкости.

Почему дует ветер: пояснение, интересные факты

Аморфный лед

Этот лед получается при мгновенном охлаждении воды, когда молекулы не кристаллизуются, как следует. Получается своеобразное стекло — очень медленно движущаяся жидкость.

На нашей планете аморфный лед встречается редко, а вот на просторах Вселенной вода часто существует в этом состоянии.

Тройная точка воды

В этой точке вещество одновременно существует как твердое, жидкое и газообразное. Такое специфическое равновесие достигается путем сочетания показаний давления и температуры. Для воды они составляют 0,01 °С и 0,0060366 атмосфер.

Эта точка применяется, когда определяется температура по Кельвину, калибруются термометры и определяются тройные точки для других жидкостей. Из тройной точки воду можно перевести в любое из ее возможных агрегатных состояний.

Лимонад: рецепт в домашних условиях

Горящий лед

Это не чистая вода, а сочетание воды и метана, которое способно гореть, словно бумага. Такой лед образуется в результате естественных процессов в океанских глубинах, в зонах вечной мерзлоты, может засорить нефтепровод или газопровод.

При его формировании вначале замораживается метан, который постепенно покрывает настоящий лед. Ученые рассматривают его как чистый и экологичный источник топлива.

Таковы обычные и нестандартные состояния воды. Природа отменно поработала, чтобы создать такое чудо, но и ученые не остались в стороне. Они до сих пор работают над получением воды в уникальных состояниях.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Источник