Нарешті на поверхню вийшла прихована особливість, що тривалий час залишалася під водою.
Нові експерименти виявили критичну точку переохолодженої води — певний тиск і температуру, за яких дві різні фази води зливаються в одну. Критична точка становить приблизно 210 кельвінів (близько -63 ° Цельсія) і приблизно в 1000 разів перевищує тиск, що чинить атмосфера Землі на рівні моря, повідомляють дослідники у статті, опублікованій 26 березня в журналі Science. Це відкриття допоможе пояснити деякі незвичайні властивості цієї повсюдно поширеної й вкрай важливої рідини.
Вже відомо про існування у води критичної точки при високих температурах. При температурі близько 374°C і тиску, що у 218 разів перевищує атмосферне, відмінність між рідкою та газоподібною фазами стирається. За цією критичною точкою вода стає так званою надкритичною рідиною.
Вчені давно передбачали існування другої критичної точки при низьких температурах, у переохолодженій воді, тобто воді, яка тимчасово залишається рідкою нижче за свою нормальну точку замерзання. "Понад 20 років багато хто чекав на прямі докази… засновані на експериментах", — каже фізик Ніколас Джовамбаттіста з Бруклінського коледжу в Нью-Йорку, який не брав участі в дослідженні. "Дивовижно, що це нарешті сталося".
Деякі незвичайні властивості води наштовхнули вчених на цю можливість. Наприклад, густина більшості рідин збільшується при охолодженні. Але густина води збільшується приблизно до 4°C, де досягає максимуму. Потім відбувається зворотна зміна: подальше охолодження робить воду менш щільною. І теплоємність води - кількість енергії, необхідної для підвищення її температури на задану величину - також різко змінюється.
Вчені припустили, що така зміна властивостей може бути ознакою критичної точки, що ховається за нижчих температур.
У 2020 експерименти надали докази того, що переохолоджена вода може приймати дві різні фази: рідина високої або низької щільності. Вважалося, що ці дві фази зливаються в одну в критичній точці, але досі цього не спостерігалося. Експерименти при тисках та температурах, близьких до передбачуваної критичної точки, надзвичайно складні. Ця область відома як «нічия», тому що переохолоджена вода замерзає там майже миттєво. Тому фізик-хімік Андерс Нільсон зі Стокгольмського університету та його колеги звернулися до складних методів. "Ми повинні робити все дуже швидко", - каже Нільсон.
Дослідники почали з крихітних зразків особливого типу льоду, званого аморфним льодом, в якому молекули перемішані, а не розташовані в кристалічній структурі. В експериментах у Пхоханській прискорювальній лабораторії в Південній Кореї дослідники опромінювали кожен зразок льоду коротким імпульсом інфрачервоного лазера, щоб розтопити його. Потім протягом наносекунд і мікросекунд вони досліджували його за допомогою рентгенівського лазера лабораторії. Результати показали структуру та щільність рідини при різних тисках та температурах.
Знімки рідини, що щойно розтанула, зроблені з часом у міру розширення води, показали, як вода поводилася при зниженні тиску в зразку. Нижче критичної точки спостерігався виразний фазовий перехід з однієї рідини до іншої у міру падіння тиску. При вищих температурах такого переходу між двома різними рідинами немає, що свідчить про досягнення критичної точки.
Результати дослідників вражають, каже фізик Грег Кіммел із Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії у Річленді, штат Вашингтон. "Представлені дані показують досить чітку картину", відповідну гіпотезі критичної точки. Однак він зазначає, що у роботі передбачається, що рідина досягла стану рівноваги, тобто потоки речовини та енергії стабілізувалися. А оскільки вимірювання проводяться дуже швидко, неясно, чи це так насправді.
Для Джовамбаттісти, який всю свою кар'єру присвятив комп'ютерному моделюванню води та цієї критичної точки, просто побачити це у реальному світі – це полегшення. "Це свого роду внутрішній спокій".
