Критическую точку воды, объясняющую ее странные свойства, обнаружили ученые

Учені зі Стокгольмського університету (Швеція) за допомогою рентгенівських лазерів змогли встановити наявність критичної точки в переохолодженій воді при температурі близько -63 °C і тиску 1 тис. атмосфер.

На звичайну воду при вищих температурах і нижчих тисках присутність цієї критичної точки впливає дуже сильно, що і є причиною її дивних властивостей. Про це повідомляє прес-служба вишу.

Як відомо, вода поводиться дуже дивно в порівнянні з іншими речовинами. Те, як її щільність, питома теплоємність, в’язкість і здатність до стискання реагують на зміни тиску і температури, повністю протилежне іншим рідинам, які ми знаємо:

• так, усі речовини стискаються при охолодженні, що призводить до збільшення їх щільності. Тому можна було б очікувати, що вода матиме високу щільність у точці замерзання. Однак, як ми знаємо, кубики льоду плавають у склянці з водою, оскільки вода має найбільшу щільність при 4 градусах Цельсія, і тому вода залишається на дні — як на дні склянки, так і на дні океану. Якщо охолодити воду до температури нижче 4 градусів, вона знову починає розширюватися;
• якщо продовжувати охолоджувати чисту воду (де швидкість кристалізації низька) до температури нижче 0 градусів, вона продовжує розширюватися — розширення навіть прискорюється, коли стає холодніше. Багато інших властивостей, таких як здатність до стискання і теплоємність, стають дедалі дивнішими в міру охолодження води.

Протягом десятиліть існували припущення та різні теорії, що пояснювали ці дивовижні властивості, і одна з теорій стосувалася існування критичної точки. Тепер ми виявили, що така точка існує, — наголошує професор хімічної фізики на кафедрі фізики Стокгольмського університету Андерс Нільссон.

Вода є унікальною, оскільки може існувати у двох макроскопічних рідких фазах, які мають різні способи зв’язування молекул води між собою за низької температури та високого тиску:

• коли температура підвищується, а тиск знижується, виникає стан, у якому зникає відмінність між двома рідкими фазами і присутня лише одна фаза. Це точка великої нестабільності, що спричиняє коливання у великому діапазоні температур та тиску аж до умов навколишнього середовища. Вода коливається між двома рідкими станами та їхніми сумішами, ніби не може визначитися. Саме ці коливання надають воді її незвичайних властивостей;
• стан за межами критичної точки називається надкритичним, і вода в навколишньому середовищі перебуває саме в цьому стані.

Тепер дослідникам зі Стокгольмського університету за допомогою ультракоротких рентгенівських імпульсів, отриманих на рентгенівських лазерах, вдалося встановити, що вода має критичну точку при глибокому переохолодженні і що саме ця критична точка є джерелом її дивних властивостей.

Раніше вже було відкрито наявність критичної точки води при високих температурах, де зникає різниця між рідиною та газом. Проте переохолоджена вода замерзає майже миттєво, тож раніше дослідити її властивості не було можливим.

Особливість цього експерименту полягала в тому, що ученим вдалося зробити рентгенівський знімок з неймовірною швидкістю до того, як лід замерз, тож вони змогли спостерігати, як зникає перехід «рідина-рідина» і виникає новий критичний стан.

Вода є єдиною надкритичною рідиною за умов навколишнього середовища, де існує життя, а ми також знаємо, що без води життя неможливе. Чи це чистий збіг, чи є тут якісь важливі знання, які ми зможемо отримати в майбутньому?, — резюмують дослідники.