Загадка води вирішена після 30 років пошуків: у неї є дві різні рідкі форми

Вода — найдивніша рідина у Всесвіті. Вона розширюється при замерзанні, а не стискається, як майже всі інші речовини. Вона найщільніша не в момент замерзання, а при +4°C. Лід плаває на її поверхні замість того, щоб тонути. Без цих аномалій не існувало б водойм із рибою взимку, не існувало б стабільного клімату — і, цілком можливо, не існувало б самого життя. Але чому вода така? Ця загадка переслідувала фізиків і хіміків понад 30 років. У новому дослідженні, про яке повідомляє Scienmag, вчені з Університету науки і технологій POSTECH (Південна Корея) спільно зі Стокгольмським університетом нарешті отримали пряме експериментальне підтвердження давно підозрюваного явища, яке пояснює всі ці дива одночасно.

Що відомо коротко

• Вчені вперше експериментально підтвердили існування рідинно-рідинної критичної точки (LLCP) у надохолодженій воді — при температурі близько -60°C
• Ця критична точка означає: вода може існувати у двох різних рідких формах — рідкій низькощільній і рідкій високощільній — і саме їхня взаємодія є причиною всіх аномалій
• Для спостереження використовувався лазер на вільних електронах (XFEL) — один із найпотужніших фізичних інструментів у світі, що генерує надкороткі рентгенівські імпульси
• Щоб зафіксувати воду у рідкому стані при температурах нижче -40°C, де вона зазвичай миттєво замерзає, вчені застосовували хитромудрі техніки — зокрема, використовували аморфний лід як вихідний матеріал
• Дослідження опубліковано 26 березня 2026 року в журналі Science

Що це за явище

Водневий зв’язок — це особлива форма притягання між молекулами води, набагато слабша за хімічний зв’язок, але набагато сильніша за звичайні міжмолекулярні сили. Саме завдяки водневим зв’язкам молекули H₂O «тримаються за руки» — утворюючи тимчасові структури, що постійно руйнуються та відновлюються.

Гіпотеза про дві рідкі фази води існувала з 1992 року. Ідея проста: за певних екстремальних умов тиску і температури молекули води можуть організовуватися у два якісно різних способи. Перший — рідина низької густини (LDL): відкрита, просторова структура водневих зв’язків. Другий — рідина високої густини (HDL): щільніша, з іншою геометрією молекулярних зв’язків. В звичайних умовах обидві фази постійно «сперечаються» за домінування, і саме ця конкуренція породжує аномалії, яких немає в жодній іншій рідині.

Деталі відкриття

Проблема в тому, що спостерігати за цим явищем надзвичайно складно. Де знаходиться LLCP — та точка, де обидві фази зливаються в одну? За теоретичними розрахунками, десь між -40°C та -70°C. Але саме в цьому діапазоні температур вода поводиться особливо підступно: вона миттєво перетворюється на лід, перш ніж дослідники встигають щось виміряти. Вчені назвали цей діапазон «землею-нічиєю» — і він залишався недоступним для прямих спостережень десятиліттями.

Прорив став можливим завдяки рентгенівському лазеру на вільних електронах (XFEL), встановленому в Прискорювальній лабораторії POSTECH. Цей інструмент — «мрійливе світло», як його називають фізики, — здатен генерувати надінтенсивні рентгенівські імпульси тривалістю лише фемтосекунди (мільярдні частки мілісекунди). Це дозволяє «сфотографувати» молекулярну структуру води за частки миті до того, як вона встигне закристалізуватися.

Перший великий успіх прийшов у 2017 році: команда довела, що можна досліджувати рідку воду при -45°C без кристалізації. У 2020 році, використовуючи аморфний лід як вихідний матеріал, вдалося опуститися до -70°C. А в найновішому дослідженні команда провела прецизійні вимірювання структури води при різних температурах і тисках — і нарешті побачила критичну точку безпосередньо.

Що показали нові спостереження

Дані переконливо виявили пряме спостереження LLCP — при температурі близько -60°C. Саме тут вода зазнає разючої трансформації: дві окремі рідкі форми зливаються в одну надкритичну рідину, і різниця між ними зникає.

Технічно вчені аналізували зміни інтенсивності рентгенівського розсіювання, що відповідають переходам між фазами LDL та HDL. Ці тонкі зміни виявляли молекулярну структуру з небаченою раніше точністю.

Це відповідає на питання, яке ставили собі ще школярі: чому лід плаває? При замерзанні вода «вибирає» низькощільну структуру водневих зв’язків (LDL), яка займає більше простору — тому лід легший за рідку воду і тримається на поверхні. А максимум густини при +4°C пояснюється тим, що саме при цій температурі баланс між двома фазами дає найщільнішу можливу упаковку молекул.

Чому це важливо для науки

Без аномалій води нашої біосфери не існувало б у її нинішньому вигляді. Те, що лід плаває, означає: взимку водойми замерзають зверху, а не знизу. Шар льоду ізолює воду під собою від морозу, зберігаючи рідке середовище для риб і мікроорганізмів. Якби лід тонув — ставки і озера промерзали б до дна, знищуючи всі мешканців.

«Вирішення цієї напруженої наукової суперечки відкриває нову еру для науки про воду», — підсумовує професор Кьон Хван Кім з POSTECH.

Наслідки виходять далеко за межі чистої науки. Розуміння поведінки надохолодженої води відкриває нові можливості в кріобіології — заморожуванні клітин, органів і біологічних зразків. Воно важливе для атмосферної фізики — краплини в хмарах існують у надохолодженому стані і впливають на утворення опадів. І для планетарної науки — вода у вигляді льоду чи надохолодженої рідини поширена по всій Сонячній системі: на кометах, у кільцях Сатурна, під кригою супутників Юпітера. Про те, як Земля буквально поглинає власні океани — вода потрапляє в надра через тектоніку плит — можна дізнатися з матеріалу «Земля поглинає власні океани».

Дослідження фінансувалося Національним дослідницьким фондом Кореї і Фондом науки і технологій Samsung, що демонструє силу міжнародної та державно-приватної наукової кооперації.

Цікаві факти

• Вода — одна з дуже небагатьох речовин, що розширюється при замерзанні: більшість речовин, навпаки, стискаються, тому їхній твердий стан щільніший за рідкий. Цим пояснюється, чому взимку труби лопаються від замерзлої всередині води
• Рентгенівський лазер на вільних електронах (XFEL) генерує імпульси тривалістю менше 100 фемтосекунд — це приблизно в 10 мільйонів разів коротше за одне миготіння ока. Саме ця швидкість дозволила «заморозити» молекулярну структуру води до того, як вона закристалізується
• Щороку вчені публікують сотні досліджень про воду, але Science — один із найпрестижніших наукових журналів світу — публікує лише найзначніші відкриття. Публікація результатів POSTECH у Science свідчить про те, наскільки фундаментальним є це досягнення
• Водневий зв’язок у воді настільки особливий, що кожна молекула H₂O може одночасно утворювати чотири такі зв’язки з сусідніми молекулами, створюючи тривимірну мережу — саме ця мережа і є причиною всіх унікальних властивостей води

FAQ

Що таке рідинно-рідинна критична точка (LLCP) і чому вона важлива? Це температура і тиск, при яких дві різні рідкі форми води — низькощільна і високощільна — стають нерозрізненними і зливаються в одну надкритичну фазу. Існування цієї точки теоретично передбачалося з 1992 року як пояснення аномалій води, але пряме спостереження стало можливим лише зараз.

Чому цю зону температур називали «землею-нічиєю»? При температурах від -40°C до -70°C вода переходить у надохолоджений стан, в якому вона все ще рідка, але надзвичайно нестабільна. Найменше збурення — і вона миттєво кристалізується. Цей режим неможливо вивчати традиційними методами, бо будь-який прилад провокує замерзання.

Як практично використати це відкриття? Розуміння двофазної природи води відкриває нові підходи в кріоконсервації — заморожуванні та розморожуванні біологічних зразків без пошкоджень. Воно може покращити прогнози погоди (надохолоджені крапельки у хмарах), допомогти у створенні нових матеріалів та поглибити наше розуміння того, як може існувати рідка вода на інших планетах і супутниках.

Загадка води вирішена після 30 років пошуків: у неї є дві різні рідкі форми з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com