Woda bardzo nietypowo reaguje na bardzo niskie temperatury. Zacznijmy od tego, że podczas chłodzenia, wbrew logice, woda nie kurczy się, ale rozszerza (dlatego lód ma właściwość wyporu). Zimna woda jest mniej ściśliwa niż gorąca. Ponadto po zamrożeniu cząsteczki wody mogą zmieniać swoje położenie w każdy możliwy sposób.
Wszystko to jest trudne do wyjaśnienia, a istniejące teorie budzą w kręgach naukowych zaciekłe kontrowersje. Jeden z nich został sformułowany prawie trzy dekady temu i dotyczył tego, że woda lodowa może występować w dwóch różnych formach cieczy, z których jedna ma mniej gęstą strukturę. Innymi słowy, istnieją dwa rodzaje wody, z których każda jest oddzielną cieczą. Trudno jest udowodnić tę teorię w laboratorium, ale włoskim naukowcom udało się znaleźć dowody na jej obronę. Badanie zostało niedawno opublikowane w czasopiśmie Science.
W swoich badaniach naukowcy Pablo Debenedetti i Gul H. Zerze z Princeton University oraz Francesco Shortico z La Sapienza w Rzymie sugerują, że „drugi krytyczny punkt wody” występuje w temperaturach od -83 do -100 stopni i ciśnieniu atmosferycznym prawie 2000 razy wyższym. niż ciśnienie nad poziomem morza. Punktem krytycznym jest jedyna wartość temperatury i ciśnienia, przy której dwie fazy substancji stają się nierozróżnialne, a dzieje się to tuż przed przejściem substancji z jednej fazy do drugiej. Na przykład woda ma dobrze znany punkt krytyczny w przejściu z cieczy w parę.
„Wyobraź sobie naszą radość, kiedy zobaczyliśmy, że krytyczne wahania przebiegają dokładnie tak, jak się spodziewaliśmy - wyjaśnia Sortino - teraz mogę spać spokojnie, ponieważ po 25 latach mój pomysł w końcu znalazł potwierdzenie.”
Do tej pory eksperymenty z użyciem prawdziwych molekuł wody do testowania drugiego krytycznego punktu „przechłodzenia” wody nie mogły dostarczyć jednoznacznych dowodów na jego istnienie. Wynika to w dużej mierze z faktu, że lodowata woda zwykle zamienia się w lód, powiedział Debenedetti.
Z tego powodu badacze zdecydowali się na wykorzystanie modeli komputerowych. Proces jest naprawdę pracochłonny: pomimo dużej mocy nowoczesnych superkomputerów naukowcy spędzili 18 miesięcy na wykonywaniu niezbędnych obliczeń w celu stworzenia modeli.
W symulacjach, gdy temperatura była jeszcze daleka od punktu zamarzania, gęstość wody zaczęła się znacznie zmieniać. W rezultacie naukowcom udało się znaleźć punkt krytyczny, którego szukali w dwóch różnych komputerowych modelach wody. Jednocześnie, aby znaleźć punkt krytyczny wody w obu modelach, zastosowano różne podejścia obliczeniowe.
Podobnie jak w przypadku przejścia z fazy ciekłej do fazy gazowej, woda lodowa może przejść w dwie różne fazy, w zależności od tego, jak uporządkowane są jej cząsteczki. Zatem w cieczy o niskiej gęstości cztery cząsteczki są zgrupowane wokół centralnej cząsteczki, tworząc czworościan. Jednak w cieczy o większej gęstości do gry wchodzi szósta cząsteczka, co prowadzi do wzrostu jej gęstości.
Film promocyjny:
W swoim artykule naukowcy piszą, że „w granicach naszych możliwości obliczeniowych udowodniono istnienie metastabilnego punktu krytycznego na etapie głębokiego chłodzenia cząsteczek wody”.
Oczywiście teraz ten wniosek musi zostać potwierdzony przez inne eksperymenty, „przy użyciu dokładniejszych i droższych metod obliczeniowych”.
