Вода при сверхнизких температурах

Ученые обнаружили второе жидкое состояние воды — в чем секрет феномена?

Все мы еще со школьной скамьи знаем, что вода бывает в трех состояниях — жидком, твердом и газообразном, то есть существует непосредственно в виде воды, в виде льда и пара. Однако у одного и того же вещества может быть несколько твердых состояний. Различие заключается только в том, как атомы расположены друг относительно друга. Причем это их расположение является решающим для таких свойств, как плотность, прочность, прозрачность, а порой даже стоимость. Лучшим тому примером служит алмаз и графит — оба этих вещества являются углеродом, но в разных состояниях. Спутать их, согласитесь, не получится так же, как не получится и превратить графит в алмаз или наоборот. У воды тоже существуют разные твердые состояния, причем их открыто уже 14. Причем во вселенной преобладает вода в необычных для Земли формах. Несколько десятков лет назад ученые предположили, что и у жидкой воды есть несколько состояний. И вот совсем недавно эта гипотеза получила научное подтверждение. Но, что представляет собой второе состояние воды и в каких условиях возникает?

Ученые обнаружили второе жидкое состояние воды, которое возникает при температуре -60 градусов

Второе состояние воды — откуда взялась гипотеза

Впервые ученые предположили, что жидкая вода может иметь второе состояние около тридцати лет назад. Основой для нее послужило компьютерное моделирование. Тогда ученые рассчитали, что второе состояние жидкой воды возникает при температуре -70 градусов. При этом давление должно составлять тысячи атмосфер. Соответственно, жидкость обладает более высокой плотностью, так как молекулы расположены ближе друг к другу.

По этой причине два состояния воды в одной емкости будут образовывать слои и никогда не смешаются между собой. Примерно так же, как масло и вода — растворить одно в другом не получится, так как масло имеет меньшую плотность, в результате чего всплывает на поверхность воды и распределяется тонкой пленкой.

Учитывая условия, при которых появляется второе состояние воды, ученые длительное время не могли подтвердить гипотезу. Ведь при температуре -60 градусов вода, независимо от ее состояния, почти моментально затвердевает. То есть исследователи долгое время просто не успевали уловить другое состояние.

Во втором жидком состоянии вода смогла просуществовать не более трех микросекунд

Как второе жидкое состояние воды удалось зафиксировать

Спустя 30 лет ученым-физикам наконец удалось доказать, что вода действительно может иметь, как минимум, два состояния. Результаты опытов опубликованы в журнале Science. Для эксперимента авторы использовали два фемтосекундных лазера. Один из них инфракрасный, который позволяет моментально нагревать лед и превращать его в воду. Второй, рентгеновский, использовался для зондирования образца, то есть позволял ученым отслеживать в каком состоянии находится вода в тот или иной момент времени.

В результате им удалось зафиксировать образование необычных пузырей, которые содержали воду во втором жидком состоянии. Правда, существовала она непродолжительное время — от 20 наносекунд до 3 микросекунд. Через несколько микросекунд вода переходила в твердое состояние. Но главное, что теория тридцатилетней давности была подтверждена.

Ознакомиться с другими, не менее увлекательными и поражающими воображения исследованиями ученых можно на нашем Яндекс.Дзен-канале

Аномальные свойства воды и в чем практическая польза эксперимента

Вода — весьма загадочное вещество с точки зрения химии и физики. Она является отличным растворителем, и это свойство служит основой физиологии живых существ. К примеру, человек состоит из воды на 70-80%. Каждый из нас, по сути — большая вертикальная лужа. Но это не единственная ее интересная особенность.

Человек на 70-80% состоит из воды

Как известно, все вещества в твердом состоянии обладают более высокой плотностью, чем в жидком. Но только не вода! Замерзая, она увеличивается в объеме и становится легче. Если бы не это свойство, вся жизнь на Земле выглядела бы иначе, ведь водоемы промерзали бы до дна, а в полярных широтах не было бы плавучих льдов, так сильно влияющих на климат.

Поэтому, изучая свойства воды, ученые лучше понимают основы самых разных процессов, начиная от климатических, и заканчивая биохимическими. Конечно, на земле второе состояние воды, не встретить. Для этого требуется высокое давление, не говоря уже о том, что существует такая жидкость несколько мгновений. Однако выявленный феномен может возникать в результате определенных свойств, которые, возможно, проявляются и в нормальных земных условиях.

Если вы хотите больше узнать о загадочных природных явлениях и феноменах, которым ученые не могут найти объяснения, обязательно подпишитесь на наш Telegram-канал.

Напоследок еще несколько интересных фактов. Мало кто знает, что воздействие низких температур на воду приводит к самым неожиданным результатам. Так при температуре -120 градусов она из твердого состояния становится сверхвязкой и тягучей. А если ее продолжить охлаждать до -135 градусов, вода превратится в твердое вещество без кристаллической структуры, аналогично стеклу.

Источник

Физики впервые получили воду в новом агрегатном состоянии. Раньше о нем догадывались только в теории

Американские ученые впервые получили переохлажденную воду. Об этом сообщили авторы эксперимента, исследователи Городского университета Нью-Йорка (CUNY), опубликовав статью в журнале Science.

Полученная жидкость не замерзает при температуре –68°С. Ее изучение позволило доказать, что вода на самом деле состоит как минимум из двух разных типов жидкости, обладающих разными физическими свойствами.

«Пытаясь объяснить некоторые аномальные свойства воды при помощи расчетов на суперкомпьютерах, теоретики еще 30 лет назад предположили, что жидкая вода может существовать в двух разных состояниях. Эта противоречивая гипотеза была одним из самых важных вопросов в химии и физике воды, который не удавалось долго решить», — заявил профессор CUNY Николас Джовамбаттиста, слова которого приводит пресс-служба вуза.

В течение долгого времени ученые считали, что вода может находиться в жидком виде лишь в одном состоянии. На рубеже веков исследователи обнаружили, что пространственная структура и некоторые физические свойства молекул воды зависят от направления спинов атомов водорода. Тогда были раскрыты различия в химических свойствах двух подобных пространственных форм молекул воды — их назвали «паравода» и «ортовода».

Трудности с отделением этих форм друг от друга породили массу споров в научной среде. При проведении экспериментов с водой, охлажденной до сверхнизких температур, возникло предположение, что вода может существовать в жидком виде в двух разных формах (или фазовых состояниях), которые обладают сравнительно низкой и высокой плотностью. Исследователи дискутировали, существуют ли эти состояния в реальности или только в теории.

В теории вода может оставаться жидкостью при температурах до —70°С, однако добиться этого крайне сложно. Как правило, воду можно удерживать в жидком состоянии при температурах, не превышающих —48°С, но из нее нужно удалить все примеси, а охлаждать ее необходимо очень быстро.

Сейчас физики решили эту проблему, не охлаждая воду, а особым образом нагревая аморфный лед высокой плотности при помощи инфракрасного лазера на очень мощных и при этом сверхкоротких импульсах теплового излучения. Под этим воздействием плотность образца воды не менялась при таянии, что впервые позволило ученым увидеть, как формируется вода высокой плотности, а также проследить за ее превращением (переходом в другое агрегатное состояние) в воду легкой плотности.

Наблюдения подтвердили теорию, что оба типа жидкостей обладают разными свойствами, а также установили разницу в плотности двух форм — масса «тяжелой» воды была примерно на 20% больше, чем ее легкой разновидности. Как показали расчеты профессора Джовамбаттисты и его коллег, обе формы переохлажденной воды не будут смешиваться друг с другом в покое.

Источник

Воду переохладили до рекордно низкой температуры

Перисто-кучевое облако, сформировавшееся в результате кристаллизации льда из сильно переохлажденных капель воды

Ian Jacobs / flickr

Физикам впервые удалось переохладить водные капли до −42,55 градуса Цельсия, что более чем на градус ниже предыдущего подтвержденного рекорда. Для охлаждения использовался метод быстрого вакуумного испарения, а температура определялась по данным комбинационного рассеяния света, исходя из размера капель, сообщают ученые в Physical Review Letters.

При охлаждении воды в неравновесных условиях, она может оставаться в жидком состоянии даже при температурах значительно ниже температуры плавления (то есть нуля градусов Цельсия). Такая вода называется переохлажденной и для ее получения необходимо отсутствие в ней центров кристаллизации. Переохладить воду больше, чем на несколько градусов, достаточно сложно, поэтому все экспериментальные рекорды по получению самой холодной жидкой воды известны для очень чистых микрокапель, которые не контактируют с твердыми поверхностями.

К настоящему моменту самая низкая температура, при которой микрокапли воды удавалось сохранить в жидком состоянии и которую при этом удалось измерить достоверно, составляла примерно −41 градус Цельсия (стоит отметить, что капли воды, переохлажденные до −39 градусов Цельсия можно встретить и в естественных условиях в облаках в верхних слоях атмосферы). При этом по результатам теоретического анализа и компьютерного моделирования известно, что минимальная температура, при которой вода все еще может существовать в метастабильном жидком состоянии, составляет около −45 градусов, ниже которой переохлажденное состояние уже является неустойчивым.

Коллектив физиков из Германии, Франции, Испании и Италии под руководством Роберта Гризенти (Robert E. Grisenti) из Франкфуртского университета имени Гёте предложил использовать для переохлаждения микрокапель воды метод быстрого испарения в вакууме. Основной недостаток этого подхода состоит в том, что при таком охлаждении достаточно сложно точно определить температуру. Чтобы решить эту проблему, авторы работы предложили использовать метод комбинационного рассеяния света. Измерив смещение рамановского пика по частоте, можно с очень хорошей точностью определить распределение капель в струе по размеру, исходя из которого затем рассчитать потерю массы при испарении и после этого — температуру капли. Точность такого метода, по оценкам ученых, составляет около 0,5 градуса.

Данные об изменении размера (сверху) и температуры (снизу) капли при сверхбыстром испарении в вакууме. Крайние правые символы соответствуют каплям, в которых уже началась кристаллизация льда

Claudia Goy et al./ Physical Review Letters, 2018

Источник

Незамерзайка чистой воды

26-11-2011, 14:02 | Наука и техника / Новость дня | разместил: Редакция ОКО ПЛАНЕТЫ | комментариев: (3) | просмотров: (4 404)

Незамерзайка чистой воды.

Объяснена способность воды оставаться жидкой до -48 градусов

Детально изучен процесс кристаллизации воды при сверхнизких температурах

Сверхчистая вода может оставаться жидкой до -48 градусов по Цельсию, а затем она превращается в « промежуточный лед» – субстанцию, не обладающую ни свойствами льда, ни свойствами воды, показали американские ученые. Это новая глава в истории необычайных свойств воды, многим из которых жизнь на Земле обязана своим существованием.

Наверное, нет на свете более странной, более противоречивой жидкости, чем обычная вода. Она постоянно ведет себя не так. Превращаясь в лед при понижении температуры, она не увеличивает, а уменьшает свою плотность. Таким образом, лед не опускается на дно, а всплывает, давая возможность всему многообразию животных и растений водных экосистем переживать зиму. Ту же строптивость она проявляет в отношении и других своих качеств – таких, например, как сжимаемость и теплоемкость. Химически молекула воды издевательски проста – два атома водорода и один атом кислорода. Однако за счет химических ( водородных) связей эти молекулы могут соединяться в 16 различных кристаллических структур, чем, собственно, и объясняются ( или должны объясняться) все водяные странности.

Особенно таинственным представляется поведение так называемой « сверхохлажденной» воды.

Если вода очень чистая и не имеет в своем составе примесей, неоднородностей, которые стали бы « зернами кристаллизации», то в жидком состоянии она может находиться при температурах намного ниже нуля.

Однако при достижении некоего критического значения температуры она замерзает настолько быстро, что до сих пор еще никому не удавалось выяснить, почему это происходит и каков в данном случае механизм превращения ее в лёд.

Если задачу не получается решить физически, то ее можно попробовать решить виртуально, с помощью компьютерного моделирования. В последнее время такой метод исследования становится все более и более « модным», поэтому Валерия Молинеро и Эмили Мур, химики из Университета Юты, чья статья о воде появилась в сегодняшнем номере журнала Nature, были отнюдь не первыми, кто в попытке вырвать у воды ее тайны обратился к компьютеру.

Правда, у их предшественников с компьютером тоже не сложилось, поскольку такие расчеты отнимали слишком много времени и не давали ясной картины процесса замораживания воды, так как нужно было отследить многие тысячи событий, приводящих к кристаллизации. Молинеро и Мур создали свою собственную программу, в двести раз более быструю, чем предыдущие: они учитывали не атомы водорода и кислорода в отдельности, а вместо этого приняли за элементарную единицу молекулу воды, математически наделив ее свойством соединяться с другими молекулами за счет водородных связей.

Программа, даже ускоренная, работала многие тысячи часов, чтобы отследить поведение 32768 молекул ( это намного меньше, чем капля воды), но в конце концов дала ожидаемый результат.

Процесс превращения ячейки жидкой воды (белый) в промежуточный лед (зеленый) и истинный лед (красный)//University of Utah.

В первую очередь, ученые выяснили минимальную температуру, при которой вода теоретически может оставаться жидкостью, – минус 48 градусов Цельсия! При приближении к этой температуре с водой, даже самой чистой, происходит быстрое структурное превращение – ее молекулы начинают быстро собираться в компании по четыре штуки, образуя тетраэдры.

« Вода превращается во что-то еще, – говорит Молинеро – и это « что-то еще» очень близко ко льду».

Это « что-то еще» ученые назвали « промежуточным льдом».

Это еще не кристалл, но уже и не жидкость, это хаотическое собрание еще неупорядоченных кристаллических ячеек-тетраэдров. Кстати, « ледяное стекло», своеобразный аморфный водяной лед, тоже очень мало изученный, как выяснили ученые, на четверть состоит из этих тетраэдров.

А при температуре минус 48 градусов Цельсия эти тетраэдры выстраиваются в правильную решетку, промежуточный лед превращается в настоящий, при этом его плотность резко падает, а теплоемкость и сжимаемость резко возрастает ( хотя в других жидкостях эти характеристики, наоборот, с понижением температуры падают). Именно это превращение и определяет высокую скорость кристаллизации сверхохлажденной воды, которая долгое время не давала ученым понять, что же на самом деле там происходит.

Итак, вот механизм, открытый химиками из Юты: на пути из жидкости в лед вода переходит в промежуточное состояние, сумбурный набор элементарных кристаллических ячеек, которые затем очень быстро организуются, превращаясь в идеальный кристалл.

Источник