Загадочные фазовые переходы воды

Ученые впервые наблюдали одну из самых интригующих свойств, предусмотренных теоретиками воды - при достаточном суперохлаждение и в определенных условиях она внезапно превращается из одной жидкости в другую.
Остин Энджелл, регент-профессор в Школе молекулярных наук Университета штата Аризона, значительную часть своей карьеры сосредоточил на изучении интересных физических свойств воды. В новом исследовании, опубликованном в Science, Энджелл и его коллеги из Амстердамского университета впервые наблюдали одну из самых интригующих свойств, предусмотренных теоретиками воды: при достаточном суперохлаждение и в определенных условиях она неожиданно изменится с одной жидкости в другую. Новая жидкость остается водой, но теперь она имеет меньшую плотность и имеет различную структуру молекул с водородными связями, которые прочнее соединяются, что делает ее более вязкой жидкостью.

Новая жидкость не имеет ничего общего с Поливода, научным фиаско прошлых десятилетий. Новое явление - это фазовый переход жидкость-жидкость, и до сих пор его наблюдали только при компьютерном моделировании.

Необычные термодинамические свойства воды указывают на то, что при переохлаждении должна существовать вторая критическая точка между двумя жидкими фазами, которые отличаются плотностью. Проблема наблюдения этого явления непосредственно в реальной воде заключается в том, что незадолго до того, как теоретически должно произойти переход, реальная вода просто кристаллизуется ко льду. Это называется "кристаллизационной занавесом", и именно она на десятилетия закуковала прогресс в понимании физики воды и воды в биологии.

"Область между этой температурой кристаллизации и гораздо меньшей температурой, при которой стекловидное вода (образована осаждением молекул воды из пары) кристаллизуется при нагревании, была известна как" ничейная территория ". Мы нашли способ увести "кристаллизационную занавес" достаточно, чтобы увидеть, что происходит за ней - а точнее - под.
- Остин Энджелл.

Фазовый переход между состояниями жидкости, о котором говорится в статье, имеет много общего с переходом ко льду, но происходит при гораздо более низкой температуре, примерно -90 ° С, и только в условиях суперохлаждение.

Физика перехода

Энджелл объяснил, что несколько лет назад он и научный сотрудник Цзофен Чжао изучали термическую поведение специального типа "идеального" водного раствора, необходимого для изучения свертывания и развертывания глобулярных белков. Они хотели выявить способность такого раствора к переохлаждению и дальнейшего превращения веществ в стекловидную форму. Чтобы выявить границы для оскловування, они вводили в раствор дополнительную воду для повышения вероятности кристаллизации смеси "лед-вода" и обнаружили, что вместо выделения тепла при кристаллизации (оставляя остаточный незамерзающий раствор), как это обычно случается при охлаждении соляных растворов, тепло выделялось , чтобы создать новую жидкую фазу.

Новая жидкость была более вязкой, может даже стекловидной. Кроме того, обернув направление изменения температуры, Энджелл и Чжао обнаружили, что они могут превратить новую фазу обратно в исходную, прежде чем лед начнет кристаллизоваться.

Данное наблюдение вызвало значительный интерес научного сообщества, но все еще не хватало вменяемых объяснений, почему это происходит. И объяснение нашлись, когда Энджелл посетил Амстердамский университет и встретился со специалистом по инфракрасной спектроскопии Сандером Вутерсеном, который очень заинтересовался структурными аспектами этого явления.

Вутерсен с коллегами использовали метод калориметрии, инфракрасной спектроскопии и молекулярной динамики для исследования раствора гидразина трифторацетат, в котором локальная соединение водородных связей, окруженная молекулой воды, напоминает такую ​​же в чистой воде при повышенном давлении, но который не кристаллизуется при охлаждении. Вместо этого данный раствор прошел резкий, обратный фазовый переход между двумя однородными жидкими состояниями. Структуры водородных связей этих двух состояний схожи с теми, которые установлены для аморфной (высоко- и низкоактивные аморфные твердые фазы) воды с высокой и низкой плотностью.

"Переход, который мы обнаружили, был" живым аналогом "изменения между двумя стеклянными состояниями чистой воды, о которых сообщалось в 1994 году, используя чистый давление в качестве движущей силы".
- Остин Энджелл.

Несмотря на чрезмерную теоретизованисть количество условий эксперимента, такое поведение почти уникальной среди множества известных молекулярных жидкостей.