Ultrakrótkie impulsy laserów rentgenowskich ujawniają nieznane właściwości wody
Woda od dawna stanowi bowiem zagadkę dla fizyków i chemików. W przeciwieństwie do większości cieczy zachowuje się w sposób nietypowy: osiąga największą gęstość przy około 4 stopniach Celsjusza, a dalsze ochładzanie powoduje jej rozszerzanie się zamiast kurczenia. Podobne anomalie występują, gdy zmienia się jej lepkość, ściśliwość i pojemność cieplna. Te nietypowe właściwości sugerowały, że w ekstremalnych warunkach musi istnieć ukryty mechanizm odpowiedzialny za takie zachowanie.
Czytaj też: Obwarzanek uratował matematyków. Tak rozwiązali wieloletni problem geometryczny
Członkowie zespołu badawczego uporali się z napotkanym problemem, gdy skupili się na wodzie przechłodzonej, czyli cieczy schłodzonej poniżej temperatury zamarzania, która mimo to nie podlega krystalizacji. Autorzy od dawna podejrzewali, że w takich warunkach woda może występować w dwóch różnych formach ciekłych: jednej o większej, a drugiej o mniejszej gęstości. Problem polegał na tym, iż obszar, w którym te zjawiska zachodzą, jest niezwykle trudny do zbadania, ponieważ woda niemal natychmiast zamienia się tam w lód.
Przełom zapewniła nowoczesna technologia laserów rentgenowskich. W eksperymentach przeprowadzonych między innymi w Korei Południowej naukowcy najpierw błyskawicznie topili specjalne formy amorficznego lodu za pomocą impulsu lasera podczerwonego, a następnie – w ułamkach mikrosekundy – analizowali powstałą ciecz przy użyciu promieniowania rentgenowskiego. Dzięki temu udało się podejrzeć strukturę wody zanim zdążyła ponownie zamarznąć.
Co warunkują fluktuacje między dwoma stanami ciekłymi?
Wyniki eksperymentów potwierdziły istnienie punktu krytycznego w temperaturze około -63 stopni Celsjusza i przy ciśnieniu około tysiąca razy wyższego od atmosferycznego. W tym właśnie punkcie dwie różne formy ciekłej wody przestają się od siebie różnić i przechodzą w jeden stan.
Czytaj też: Fizycy przewieźli antymaterię ciężarówką. To pierwsze takie wydarzenie w historii
Dokonane odkrycie ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia natury wody. Naukowcy uważają, że to właśnie fluktuacje pomiędzy tymi dwoma stanami ciekłymi odpowiadają za jej niezwykłe właściwości obserwowane w codziennych warunkach. Innymi słowy, nawet zwykła woda w temperaturze pokojowej może być pośrednio “pod wpływem” tego ukrytego punktu krytycznego. Co więcej, badania wykazały, iż w pobliżu punktu krytycznego dynamika cząsteczek wody znacząco zwalnia, a sam stan staje się wyjątkowo niestabilny. Naukowcy porównują to zjawisko obrazowo do sytuacji przypominającej pułapkę, z której układowi trudno się wydostać, co dodatkowo podkreśla niezwykłość całej sprawy.
Źródło: Eureka Alert, Science
