Невероятно: водата има две течни състояния

Международен екип от изследователи е направил фундаментално откритие, доказвайки, че водата може да бъде в две различни течни състояния, които при определени условия даже не могат да се смесват едно с друго. Водата се явява една от ключовите основи на живота, такъв какъвто го познаваме, затова нейните фазови състояния имат фундаментално значение за най-различни области на науката и техниката – от биохимията до материалознанието и промишлените процеси. Резултатите от изследването са публикувани в списание Science.

Всеки от нас още от училище знае, че водата може да същеществува в три агрегатни състояния: твърдо (като лед), течно (като вода при стайна температура) и в газообразно (във вид на водна пара).

Но не всичко е толкова елементарно. Например, при едно вещество могат да съществуват няколко твърди състояния. Те се различават едно от друго по начина, по който атомите са разположени едни спрямо други. А оттук могат да възникват различия в техните свойства: здравина, прозрачност и даже в пазарна им стойност, например, графит и диамант, които представляват различни състояния на въглерода. Те трудно могат да бъдат сбъркани, но още по-трудно е да се превърне едното в другото състояние. Водата също има няколко твърди състояния, тъй като разновидностите на леда са повече от десет. Но само една от тези модификации се образува на повърхността на Земята по естествен начин. Останалите се получават или в лабораторни условия, или в екзотически места, такива като земните недра.

Преди няколко десетилетия теоретици са изказали хипотеза, че и течните състояние на това толкова ни познато на нас вещество са повече от едно.

„Хипотеза, че водата може да съществува в две различни течни състояния е била предложена приблизително преди 30 години на базата на компютърно моделиране“ – разказва пред прес релийза на своя университет един от авторите на изследването Николас Джовамбатиста (Nicolas Giovambattista) от Градския университет на Ню Йорк .

Учените са пресметнали, че „втората вода“ възниква при температура около – 70⁰С и налягане от хиляди атмосфери. Тя би трябвало да бъде с 20% по-плътна от обикновената вода заради това, че молекулите и са разположени по-близко една до друга. По тази причина двете разновидности на течното състояние на водата би трябвало да могат да образуват слоеве, без да могат да се смесват, така както например водата и маслото.

Но да се провери това предположение експериментално се оказало изключително сложна задача. При описаните условия водата (както обикновената, така и „аномалната“) за части от секундата се превръщат в лед. Доскоро физиците просто не са успявали да открият това неуловимо течно състояние до момента, когато то се превърне в твърдо вещество. Прагът, който те достигали да удържат водата в течно състояние бил -48⁰С.

Авторите на новото изследване са успели да преодолеят тази бариера, използвайки два фемтосекундни лазера. Един от тях е бил инфрачервен, който изработвал свръхкратки, много мощни импулси и учените го използвали за моментално нагряване на аморфен лед с висока плътност и превръщането му в течна вода. Другият е бил рентгенов и сондирал образеца, за да могат да разберат учените в какво състояние той се намира.

Изследователите успели да „нагреят“ леда до температура от – 63⁰С , когато фиксирали появата на своеобразни балончета от течността, съдържащи „втората“ вода. Те съществували доста кратко: от 20 наносекунди до 3 микросекунди. Оказало се, че при тези условия водата може да съществува във вид на течност с ниска плътност при ниско налягане и във вид на друга течност с висока плътност при високо налягане. След това след няколко микросекунди веществото се превръщало в лед. Плътността на тези два вида вода се различавали с 20%, което кара учените да смятат, че те няма да могат да се смесват една с друга.

По този начин учените блестящо са потвърдили теоретичната тридесетгодишна хипотеза. Но с какво и на кого може да бъде полезно това откритие?

По принцип водата е доста необичайно вещество от гледна точка на физиката и химията. Например, водата е поразително добър разтворител. И това нейно свойство лежи в основата на физиологията на всички живи същества.

Но водата има още едно необикновено качество. Почти всички вещества в твърдо състояние са по-плътни, отколкото в течно, а при водата е точно обратното. По тази причина ледът плува във вода и това е голям късмет за хората, живеещи около водоеми. Ако ледът потъваше, то през студените зимни месеци реките и езерата щяха да замръзват до дъно. Освен това, в полярните географски ширини нямаше да се образуват плаващи ледове, което е един от най-важните фактори за земния климат. Целият земен живот би изглеждал по съвършено друг начин , без това удивително вещество да има такива уникални свойства.

Така, изучавайки свойствата на водата, учените проникват в множество важни процеси, от биохимични до климатични. Разбира се, в човешкия организъм или в полярните шапки не може да се срещне от новия вид течна вода, открит от експериментаторите, тъй като за нейното съществуване се изисква огромно налягане от хиляди атмосфери. Но е възможно този феномен да възниква, благодарение на някои свойства на водата, които се проявяват в по-малко екзотични условия, а значи може да повлияе на нашия живот.