Вода дуже незвично реагує на дуже низькі температури. Почнемо з того, що при охолодженні, всупереч логіці, вода не стискається, а розширюється (саме тому лід має властивість плавучості). Холодна вода має меншу стискаємість, ніж гаряча. Більш того, при заморожуванні молекули води можуть змінювати своє розташування.
Всьому цьому складно знайти пояснення, причому існуючі теорії викликають запеклу полеміку в наукових колах. Одна з них була сформульована майже три десятиліття тому і полягала в тому, що крижана вода може існувати в двох різних рідких формах, одна з яких володіє менш щільною структурою. Іншими словами, існує два види води, кожен з яких є окремою рідиною. Довести цю теорію в лабораторії складно, але італійським вченим вдалося знайти докази в її захист. Дослідження було недавно опубліковано в журналі Science.
У своєму дослідженні вчені Пабло Дебенедетті і Гюль Х. Зерце з Прінстонського університету і Франческо Шортіко з Ла Сапієнца в Римі припускають, що «друга критична точка води» виникає при температурах від -83 до -100 градусів і при атмосферному тиску майже в 2000 разів вище, ніж тиск над рівнем моря. Критична точка – це єдине значення температури і тиску, при якому дві фази речовини стають невиразними, і відбувається це безпосередньо перед тим, як речовина переходить з однієї фази в іншу. Вода, наприклад, має добре відому критичну точку при переході від рідини до пару.
«Тільки уявіть нашу радість, коли ми побачили, що критичні коливання протікають саме так, як ми і припускали, – пояснює Сортіно, – тепер я можу спати спокійно, бо через 25 років моя ідея нарешті знайшла підтвердження».
До сих пір експерименти з використанням реальних молекул води для перевірки другої критичної точки «суперохолоджування» води не могли дати однозначних доказів її існування. За словами Дебенедетті, це багато в чому пов’язано з тим, що крижана вода зазвичай перетворюється на лід.
З цієї причини дослідники вирішили вдатися до використання комп’ютерних моделей. Процес по-справжньому трудомісткий: незважаючи на високу потужність сучасних суперкомп’ютерів, для створення моделей вчені 18 місяців займалися необхідними обчисленнями.
У симуляції, коли температура була ще далека від точки замерзання, щільність води почала сильно коливатися. У результаті вченим вдалося виявити критичну точку, яку вони шукали в двох різних комп’ютерних моделях води. При цьому для пошуку критичної точки води в обох моделях були застосовані різні обчислювальні підходи.
Як і при переході від рідкої до газової фази, крижана вода може переходити в дві різні фази, в залежності від того, як перегрупувалися її молекули. Таким чином, в рідині низької щільності чотири молекули групуються навколо центральної молекули, утворюючи тетраедр. Однак в рідині з більш високою щільністю в гру вступає шоста молекула, що призводить до збільшення її щільності.
У своїй статті дослідники пишуть, що «в межах наших обчислювальних можливостей було доведено існування метастабільної критичної точки в стадії глибокого охолодження молекул води».
Природно, тепер цей висновок повинен бути підтверджений іншими експериментами, «що використовують більш точні і дорогі обчислювальні засоби».
