2712
Вода вкриває більшу частину поверхні Землі й становить близько 60 відсотків маси нашого тіла, але з наукового погляду вона залишається дивною речовиною. За низьких температур вода зазвичай кристалізується, утворюючи знайомий нам лід. Однак вона може переходити й у так звану «склоподібну воду» – аморфний, безладний твердий стан.
Саме таку форму води виявляють, наприклад, у стратосферних хмарах над полярними регіонами, а також у організмів, що люблять холод (психрофілів), яким вона допомагає уникати руйнівних кристалів льоду в клітинах. Та попри це, сам процес переходу рідкої води в склоподібний стан довго залишався майже невидимим для експериментальних методів.
Як пояснює матеріал на ScienceAlert, зазвичай при охолодженні вода формує кристали льоду з жорсткою впорядкованою структурою. Це відбувається аж до температур близько -45 °C. Нижче починається слабо вивчена «нічия земля» температур, де поведінка води лишалася загадкою. Вважалося, що перехід масивної (bulk) води в склоподібний стан має відбуватися приблизно біля -135 °C, але кристалічний лід заважав дістатися до цього режиму.
Як вченим вдалося «заблокувати» кристалізацію
У новому дослідженні фізики розв’язали цю проблему, наслідуючи природні механізми. Вони «захопили» надзвичайно тонкі шари води – завтовшки лише кілька молекул, менше мільярдної частки метра – між двома ліпідними шарами зі спеціального виду фітантріолу, молекули жирного спирту, яка зберігає стабільну й рухливу структуру навіть за дуже низьких температур.
У такій матриці вода не могла утворювати кристали льоду під час охолодження. Це дало змогу дослідникам простежити її перехід від рідини до склоподібного стану з небувалою деталізацією. Виявилося, що цей перехід відбувається в набагато ширшому й вищому температурному діапазоні, ніж вважали раніше.
Команда фізиків під керівництвом Раффаеле Мецценги (Raffaele Mezzenga) з ETH Zurich, у співпраці з фахівцями Австралійської організації ядерної науки і технологій (ANSTO), поєднала комп’ютерне моделювання з низкою передових методів зондування атомної структури.
Один із ключових інструментів – лінія SAXS/WAXS (мале та ширококутове рентгенівське розсіяння) на синхротроні ANSTO. Інтенсивне рентгенівське випромінювання, створене в прискорювачі частинок, дозволило картувати структуру води, замкненої в ліпідній матриці, за різних температур.
Крім того, команда використала два спектрометри – Emu та Pelican – в Австралійському центрі нейтронного розсіяння, щоб вловити молекулярні вібрації й рух атомів Гідрогену у зразку. За словами науковиці Аліс Клаппрох (Alice Klapproth), сигнал нейтронів у цих вимірюваннях переважно зумовлений саме рухами атомів Гідрогену у воді, що дозволяє вибірково досліджувати динаміку води навіть у складній м’якій матриці.
Де саме вода стає «склом»
Сукупність вимірювань показала, що сповільнення рухливості молекул замкненої води відбувається в несподівано широкому діапазоні температур – від -63 до -20 °C. Дослідники простежили ці зміни на часових масштабах від мільйонних до трильйонних часток секунди.
Особливо різкий злам у динаміці спостерігається приблизно між -35 і -21 °C, коли кінетична активність молекул води помітно пригальмовує. А власне структурний перехід у склоподібний твердий стан, де молекули «застигають» у безладній конфігурації, відбувається між -74 і -64 °C.
За ще нижчих температур зразок води у фітантріольній матриці стає крихким і починає тріскатися, утворюючи макро- та мікроскопічні тріщини – наче чужорідна крижана плита, що ламається на шматки.
Можливі застосування склоподібної води
Окрім того, що робота проливає світло на поведінку повсякденної, але все ще загадкової речовини, вона може мати й практичне значення. Автори зазначають, що їхні результати безпосередньо стосуються всіх явищ, де задіяна кріогенна вода в наноконфайнменті – зокрема, у кріозбереженні біологічних матеріалів і глибокому заморожуванні харчових продуктів.
Чи вдасться на основі цих знань суттєво покращити відновлення заморожених тканин або створити принципово нові, надзвичайно «гладкі» види морозива, поки що невідомо. Але тепер дослідники мають детальну картину того, як вода переходить у дивний склоподібний стан без утворення льоду, і це відкриває шлях до нових експериментів.
Фізики зафіксували, як вода перетворюється на скло без утворення льоду з’явилася спочатку на Цікавості.
