Странните свойства на водата и леда са изяснени: Водата съществува като два различни вида течност

Артистичен поглед към двете форми на ултра-вискозната течна вода с различна плътност. Credit: Mattias Karlén

Ние обикновено приемаме течната вода като неструктурирана, като молекулите се преподреждат за кратък период около някакви структури.

Сега, учени от Стокхолмския университет са открили две фази на течността с голяма разлика по отношение на плътността и структурата ѝ. Резултатите са изведени на база експериментално проучване, чрез използването на рентгенови лъчи, които вече са изложени в Proceedings of the National Academy of Science.

Повечето от нас познават водата с нейната жизнено важна функция за съществуването ни на планетата Земя. По-малко известен е фактът, че водата има много странни или аномални способности и има много по-различно поведение от другите видове флуиди. Ето няколко примера за това: точката на топене, плътността, капацитетът при загряване и всички онези над 70 на брой свойства, които различават водата от другите течности. Тези аномални свойства на водата са предпоставка за живота, такъв, какъвто го познаваме.

„Новото забележително свойство е в откритието ни, че водата може да съществува в две различни течни форми при ниска температура, където ледът кристализира бавно“, казва Андърс Нилсън, професор по Химическа физика в Стокхолмския университет. Откритието е станало възможно, чрез комбинация от изследвания с използването на рентгенови лъчи в Argonne National Laboratory близо до Чикаго, където двете различни структури са доказани и в голямата рентгено-лъчева лаборатория DESY в Хамбург, където било възможно проследяването на динамиката на двете фази, която  действително демонстрира, че и двете са в течно състояние. Водата може по този начин да съществува в две различни флуидни форми.

„Много е вълнуващо да имаш възможността да използваш рентгеновите лъчи, за да определиш относителната позиция между молекулите в различно време“, казва още Фивос Перакис от Стокхолмския Университет, който има опит в супер бързата оптична спектроскопия.

„Ние имахме възможността подробно да проследим трансформацията на пробата при ниска температура между двете фази и демонстрирахме, че има дифузия, която е типична за флуидите.“

Когато мислим за леда, то най-често го свързваме с подредена кристална форма, която вземаме от формата за лед, но най-основната форма на леда на нашата планетарна система е аморфната, която е „неподредена“ и представя лед в двете му форми с ниска и висока плътност.  И двете форми може да се преобразуват и вследствие на това съществува спекулация, че те могат да бъдат свързани с ниската и висока плътност на водата в течното ѝ състояние. Голямото предизвикателство, експериментално да бъдат проучени тези хипотези, е вече преодоляно от групата учени на университета в Стокхолм.

„Аз изучавам аморфния лед от много време с цел да определя дали може да бъде дефиниран като стъкловиден/прозрачен, представлявайки замразена течност”, казва Катрин Аман-Винкел, изследовател по Химическа физика в Университета с Стокхолм. „Това е сбъдната мечта – да проследяваш в такива детайли как стъкловидното състояние на водата се трансформира във вискозна течност, която почти веднага се трансформира в дори по-гъста течност с много по-ниска плътност.“

„Възможността да правя нови открития за водата е изключително пленителна и е много вдъхновяващо за последващите ми проучвания“, казва Даниел Мариедал, докторант по Химическа физика в Стокхолмския университет. „Изключително вълнуващ е фактът, че бе осигурена нова информация, чрез рентгенови лъчи, а откривателят лъчението, Вилхелм Рьонтген, е допускал, че водата може да съществува в две различни форми и че взаимодействието между тях може да се окаже отговорно за техните странни свойства.“

„Новите резултати биват подкрепени от ситуация, при която водата при стайна температура не може да определи в коя от двете и форми да се намира, с висока или ниска плътност, което води до локални колебания между двете“, казва Ларс Г.М. Петерсон, професор по Теоретична физикохимия в Стокхолмския университет. „Накратко: водата не е сложен флуид, а две прости течности със сложна взаимовръзка.“

Тези нови резултати не само дават цялостно ново разбиране за водата при различна температура и налягане, но и показват как водата бива повлиявана от соли и важни за живота биомолекули. В допълнение, познанията за водата може да доведат до нови прозрения затова как да я пречистваме и обезсоляваме в бъдеще. Това ще бъде едно от важните бъдещи предизвикателства за човечеството, на фона на  глобалните климатични промени.

Превод: Тодорка Станкова

Източник: Science Daily