RW Space

Ослепительная красота снежинки свидетельствует о том, какие удивительные формы может принимать вода при температуре ниже точки замерзания.

Под давлением элегантный танец молекулы H₂O искривляется. во что-то странное при сверхнизких температурах, фактически связывая себя узлами, чтобы не превратиться в лед.

Исследователи из Университета Бирмингема в Великобритании и Университета Ла Сапиенца ди Рим в Италии изучили поведение молекул в жидкости под давлением. вода, помещенная в условия, которые обычно вызывают ее кристаллизацию.

Основываясь на новом способе моделирования поведения воды как взвеси частиц, они определили ключевые особенности двух различных жидких состояний; один «топологически сложный», связанный узлом, похожим на крендель, другой — более низкой плотностью образования более простых колец.

«Эта коллоидная модель воды представляет собой увеличительное стекло в молекулярной воде, и позволяет нам разгадать секреты воды, связанные с рассказом о двух жидкостях», — говорит химик из Бирмингемского университета Двайпаян Чакрабарти.

Теории заложенные в 1990-х намекнули на виды молекулярных взаимодействий, которые могут происходить при переохлаждении воды — охлаждается до температуры ниже типичной точки замерзания без затвердевания.

Ученые уже много лет раздвигают пределы возможностей охлаждающей воды, чтобы она не переходила в твердое состояние. теперь, в конце концов, удалось удержать его в хаотической жидкой форме при безумно холодном -263 градусах Цельсия (-441 градус по Фаренгейту) на долю секунды без него. превращение в лед.

Насколько достигнут прогресс в демонстрации этих состояний в лаборатории, ученые все еще пытаются выяснить, как именно выглядят переохлажденные жидкости, лишенные тепла.

>Ясно, что в критических точках конкурирующие полярные притяжения между молекулами воды преобладают над термодинамическим жужжанием трясущихся частиц. Молекулы должны найти другую удобную конфигурацию без локтя, чтобы перейти в кристаллическую форму.

С учетом стольких факторов исследователи обычно пытаются упростить то, что они могут, и сосредоточиться на важных переменных. В этом случае рассмотрение «комков» воды так, как если бы они были более крупными частицами, растворенными в жидкости, помогает лучше понять переходы от одного устройства к другому.

Компьютерные модели, основанные на этой перспективе, указали на тонкие вода раздвигается, а форма состоит из частиц, которые располагаются ближе друг к другу в более плотной форме.

Интересно, что форма – или топология – молекулярных взаимодействий в этом водном ландшафте также выглядела совершенно иначе, с молекулами запутываются в сложных сетях, когда они сбиваются в кучу, или в гораздо более простых формах, когда они раздвигаются.

«В этой работе мы впервые предлагаем взгляд на фазовый переход жидкость-жидкость, основанный на об идеях сетевой запутанности, — говорит Франческо Шортино, специалист по физике конденсированных сред из Университета Сапиенца в Риме.

— Я уверен, что эта работа вдохновит на создание нового теоретического моделирования, основанного на топологических концепциях».

Это странное пространство запутанных сетей частиц созрело для исследования оринг. Хотя такие узлы не совсем отличаются от длинных цепочек ковалентно связанных молекул, они преходящи, заменяют члены по мере изменения жидкой среды.

Учитывая их запутанные взаимодействия, природа жидкой воды, находящейся в условиях высокого давления , низкотемпературная среда должна быть совершенно непохожа на то, что мы находим на поверхности Земли.

Узнавание большего о топологическом поведении не только воды в этих условиях, но и других жидкостей может дать нам представление об активности материалов в экстремальных или труднодоступных средах, таких как глубины далеких планет.

«Представьте, как прекрасно было бы, если бы мы могли заглянуть внутрь жидкости и наблюдать танец молекул воды, путь они мерцают и то, как они обмениваются партнерами, реструктурируют сеть водородных связей, — говорит Шортино.

«Реализация предлагаемой нами коллоидной модели воды может воплотить эту мечту в реальность».

Это исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.