Открытие, опубликованное сегодня в журнале Science, предоставляет долгожданные экспериментальные данные для объяснения некоторых из странных свойств воды, которые проявляет вода при чрезвычайно низких температурах в космическом пространстве и в отдаленных уголках собственной атмосферы Земли. До сих пор жидкая вода при самых экстремальных температурах была предметом конкурирующих теорий и гипотез. Некоторые ученые спрашивают, возможно ли, чтобы вода действительно существовала в виде жидкости при температурах до -117.7 F (190 K), или странное поведение – просто перестраивание воды на ее неизбежном пути к твердому телу.
Аргумент имеет значение, потому что понимание воды, которая покрывает 71 процент поверхности Земли, имеет решающее значение для понимания того, как она регулирует нашу окружающую среду, наши тела и саму жизнь.
«Мы показали, что жидкая вода при очень низких температурах не только относительно стабильна, но и существует в двух структурных мотивах», – сказал Грег Киммел, физик-химик из PNNL. "Результаты объясняют давние споры о том, всегда ли глубоко переохлажденная вода кристаллизуется, прежде чем она сможет уравновеситься. Ответ – нет."
Переохлажденная вода: сказка о двух жидкостях
Вы думаете, что мы уже понимаем воду. Это одно из самых распространенных и наиболее изученных веществ на планете.
Но, несмотря на кажущуюся простоту – два атома водорода и один атом кислорода на молекулу – H2O обманчиво сложна.
Для воды на удивление трудно замерзнуть чуть ниже точки плавления: вода сопротивляется замерзанию, если только ей не с чего начать, например, пыль или какое-то другое твердое вещество, за которое можно прилипнуть. В чистой воде требуется энергичный толчок, чтобы объединить молекулы в особую структуру, необходимую для замораживания. И он расширяется при замерзании, что является странным поведением по сравнению с другими жидкостями.
Но эта странность поддерживает жизнь на Земле. Если бы кубики льда утонули или водяной пар в атмосфере не сохранял тепло, жизни на Земле в том виде, в каком мы ее знаем, не существовало бы.
Странное поведение воды занимало физиков-химиков Брюса Кея и Грега Киммела более 25 лет.
Теперь они вместе с докторантами Лони Крингл и Уяттом Торнли достигли важной вехи, которая, как они надеются, расширит наше понимание искривлений, которые могут вызывать молекулы жидкой воды.
Были предложены различные модели для объяснения необычных свойств воды. Новые данные, полученные с помощью своего рода "стоп-кадра" переохлажденной воды, показывают, что она может конденсироваться в жидкоподобную структуру с высокой плотностью. Эта форма с более высокой плотностью сосуществует со структурой с более низкой плотностью, которая больше соответствует типичному связыванию, ожидаемому для воды.
Доля жидкости с высокой плотностью быстро уменьшается при повышении температуры от -18 ° C.От 7 F (245 K) до -117.7 F (190 K), подтверждающий предсказания моделей "смеси" для переохлажденной воды.
Крингл и Торнли использовали инфракрасную спектроскопию, чтобы шпионить за молекулами воды, захваченными в своего рода остановленном движении, когда тонкая пленка льда была поражена лазером, создавая переохлажденную жидкую воду на несколько мимолетных наносекунд.
«Ключевое наблюдение состоит в том, что все структурные изменения были обратимыми и воспроизводимыми», – сказал Крингл, проводивший множество экспериментов.
Graupel: это переохлажденная вода!
Это исследование может помочь объяснить крупу крупу, пушистые гранулы, которые иногда падают во время штормов с прохладной погодой.
Граупель образуется, когда снежинка взаимодействует с переохлажденной жидкой водой в верхних слоях атмосферы.
«Жидкая вода в верхних слоях атмосферы сильно охлаждается», – говорит Кей, научный сотрудник PNNL и эксперт по физике воды. "Когда он сталкивается со снежинкой, он быстро замерзает, а затем в правильных условиях падает на Землю. Это действительно единственный раз, когда большинство людей испытают на себе воздействие переохлажденной воды."
Эти исследования также могут помочь понять, как жидкая вода может существовать на очень холодных планетах – Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне – в нашей Солнечной системе и за ее пределами.
Переохлажденный водяной пар также создает красивые хвосты, которые тянутся за кометами.
Гимнастика с молекулами воды
Здесь, на Земле, лучшее понимание искривлений, которые вода может производить в тесном положении, например, когда одна молекула воды вклинивается в белок, может помочь ученым в разработке новых лекарств.
«Там не так много места для молекул воды, которые окружают отдельные белки», – сказал Крингл. "Это исследование может пролить свет на то, как жидкая вода ведет себя в плотно упакованной среде."
Торнли отметил, что «в будущих исследованиях мы можем использовать эту новую технику, чтобы проследить молекулярные перестройки, лежащие в основе широкого спектра химических реакций."
Предстоит еще многому научиться, и эти измерения помогут лучше понять, что такое самая распространенная животворная жидкость на Земле.