Быстрая декомпрессия позволяет наблюдать жидкую воду низкой плотности

Вода занимает более 70 процентов поверхности нашей планеты и до 60 процентов наших тел.

Вода настолько распространена, что мы принимаем ее как должное. Но вода также имеет очень странные свойства по сравнению с большинством других жидкостей. Ее твердая форма менее плотная, чем жидкая, поэтому лед плавает; ее особый профиль теплоемкости оказывает глубокое влияние на океанские течения и климат; и она может оставаться жидкой при чрезвычайно низких температурах.

В дополнение к обычной воде и водяным парам или льду имеется по меньшей мере 17 форм водяного льда и две предложенные формы сверхохлажденной жидкой воды.

Новая работа от геофизиков высокого давления Карнеги Чуанлун Линь, Джесси Смит, Станислав Синогейкин и Гойин Шен обнаружили доказательства долговременной, труднодоступной жидкой фазы с низкой плотностью воды. Их работа опубликована в Трудах Национальной академии наук.

Нормальная плотность воды составляет один грамм молекул воды на каждый кубический сантиметр (0,9982 г/см³). Исследования аномалий поведения воды показали наличие жидкой воды с более низкой и высокой плотностью, чем этот стандарт. Но наблюдать эти явления экспериментально было очень сложно.

Каждая молекула имеет так называемую фазовую диаграмму — своего рода диаграмму, показывающую, как изменяется ее объемная молекулярная структура при разных условиях температуры и давления. Полагают, что части фазовой диаграммы, где встречается вода с низкой плотностью, как правило, трудно исследовать, потому что они требуют ряд очень специфических, очень сложных для создания условий.

Но команда ученых смогла наблюдать воду с низкой плотностью в качестве промежуточной фазы с использованием недавно разработанной техники быстрой декомпрессии для превращения кристаллической фазы льда высокого давления в алмазоподобный лед Ic при температурах от около -132,7 до -108,3 градуса Цельсия (140 и 165 кельвинов).

Сложный рентгеновский анализ подтвердил наблюдение жидкой водной фазы с низкой плотностью, которая длилась около полутора секунд при -108 градусах Цельсия (160 кельвинов).

Когда лед-VIII разлагался при умеренных скоростях, он образовывал другие фазы льда, указывая на то, что скорость декомпрессии является ключом к наблюдению за жидкой водной фазой низкой плотности.

«Наш недавно разработанный, очень быстрый метод декомпрессии был ключом к этому захватывающему наблюдению жидкой воды низкой плотности в качестве промежуточного продукта между двумя кристаллическими фазами», — пояснили исследователи.

Больше информации: Chuanlong Lin et al. Experimental evidence of low-density liquid water upon rapid decompression, Proceedings of the National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073/pnas.1716310115