Парадокс воды раскрыт: при плавлении льда молекулы ведут себя как смесь двух жидкостей
Вода — самое привычное вещество на Земле, но её поведение до сих пор ставило физиков в тупик. Почему лёд плавает? Почему вода имеет максимум плотности при +4 °C? Почему её теплопроводность и вязкость меняются странным образом? Международная группа исследователей наконец дала ответ, который десятилетиями оставался гипотезой. С помощью мощных рентгеновских лазеров они заглянули в молекулярную структуру жидкой воды и увидели: она не однородна. Внутри неё одновременно сосуществуют две разные жидкости.
Одна — более плотная, другая — менее плотная. Молекулы постоянно переходят из одной фазы в другую, преодолевая энергетический барьер. При обычных условиях этот переход происходит незаметно — мы видим лишь среднюю картину. Но стоит воде охладиться почти до −60 °C и сжать до давления в 800–1000 атмосфер, как два состояния разделяются, становятся различимыми. Именно там, в экстремальной зоне, учёные и зафиксировали их «чистый» вид.
Работа опубликована в ведущем научном журнале. Авторы — физикохимики Сяо Чэн Цзэн и Ливэнь Ли из Городского университета Гонконга — показали: в момент плавления льда при 0 °C вода не превращается в однородную жидкость мгновенно. Сначала лёд распадается на микрокластеры, которые сохраняют структуру низкой плотности, затем к ним присоединяются молекулы с более плотной упаковкой. Процесс идёт в несколько этапов, каждый со своим энергетическим порогом.
«Мы впервые на молекулярном уровне подтвердили, что вода — не простая жидкость, а бинарная смесь двух жидких состояний, — пояснил один из авторов исследования. — Это объясняет множество аномалий, которые раньше казались случайными».
Открытие имеет не только фундаментальное значение. Понимание двойной природы воды позволит точнее моделировать процессы внутри живых клеток. Ведь вода — основной компонент любой биологической жидкости. Лекарства, белки, ферменты работают именно в водной среде. Теперь фармацевты смогут предсказывать, как растворы будут вести себя при разных температурах, и эффективнее подбирать дозировки.
Кроме того, результаты помогут лучше понять, как вода взаимодействует с поверхностями — почему она скатывается с тефлона, но растекается по стеклу. Это важно для создания новых покрытий, мембран и даже для прогноза погоды: ведь облака и осадки тоже зависят от фазовых переходов воды.
Впрочем, до практических выводов ещё далеко. Сейчас учёные намерены повторить эксперименты на других установках и уточнить границы, при которых два жидких состояния смешиваются. А пока главное — состоялось то, что казалось невозможным: вода наконец раскрыла свою двойственную природу.