Vanduo jau seniai laikomas viena keisčiausių kasdienių medžiagų: jis plečiasi šaldamas, ledas plūduriuoja, o dalis savybių artėjant prie užšalimo ribos ima elgtis kitaip nei daugumos skysčių. Dabar Stokholmo universiteto mokslininkai skelbia gavę tiesioginių įrodymų apie vadinamąją kritinę sritį, kuri gali sujungti šias dėliones į vieną paaiškinimą.
Remiantis tyrėjų pateikta interpretacija, esant maždaug minus 63 laipsnių Celsijaus temperatūrai ir apie 1 000 atmosferų slėgiui, vanduo patenka į režimą, kuriame pereina tarp dviejų skirtingų skystų būsenų. Tokia riba ilgą laiką buvo prognozuojama teoriniuose modeliuose, tačiau tiesioginiai matavimai buvo itin sudėtingi, nes vanduo linkęs greitai kristalizuotis.
Kodėl vanduo laikomas anomalija
Vienas geriausiai žinomų vandens paradoksų yra tankio maksimumas ties 4 laipsniais Celsijaus: vėsdamas iki šios ribos vanduo tankėja, o vėsdamas toliau pradeda plėstis. Būtent dėl to ledas, kurio struktūra retesnė, nei skysto vandens, neskęsta ir susidaro paviršiuje, izoliuodamas vandens telkinius žiemą.
Neįprastai kinta ir kitos savybės, tokios kaip suspaudžiamumas, klampa ar šiluminis plėtimasis, ypač vadinamojo peršaldyto vandens srityje, kai vanduo dar nėra virtęs ledu, nors temperatūra jau žemiau užšalimo taško. Tokie „išsišokimai“ seniai leido įtarti, kad giliai fazių diagramoje gali slėptis perėjimas tarp dviejų skystų formų.
Kaip pavyko „pamatyti“ perėjimą
Tyrėjai pasitelkė labai greitus rentgeno impulsus, leidžiančius fiksuoti vandens struktūros pokyčius per itin trumpą laiką, kol jis dar nespėja sušalti. Tokie metodai ypač svarbūs, nes didžiausia kliūtis tiriant peršaldytą vandenį yra spontaniška kristalizacija, „nutraukianti“ eksperimentą.
Eksperimento logika paprasta: jei vanduo iš tiesų turi dvi skirtingas skystas būsenas, tuomet, keičiant slėgį ir temperatūrą, turėtų atsirasti sritis, kurioje jų skirtis nyksta ir sistema tampa ypač jautri menkiausiems pokyčiams. Būtent tokią kritinę sritį komanda teigia identifikavusi, matydama struktūros signalų persitvarkymą.
„Dešimtmečius turėjome stiprių užuominų, kad tokia kritinė sritis egzistuoja, bet tiesioginių įrodymų pritrūkdavo dėl eksperimentinių ribų“, – sakė tyrimo autorių komandos atstovas Andersas Nilssonas.
Dvi skystos vandens formos ir „kritinė riba“
Pagal plačiai aptariamą hipotezę, vanduo žemoje temperatūroje gali egzistuoti kaip dvi skirtingos skystos struktūros: viena tankesnė, kita retesnė, su skirtingu vandenilinių ryšių tinklu. Keičiantis sąlygoms, šios formos gali būti atskirtos perėjimu, o kritinėje srityje skirtis išnyksta, todėl vanduo ima „svyruoti“ tarp režimų.
Toks nestabilumas galėtų paaiškinti, kodėl kai kurios vandens savybės staiga stipriai išauga ar keičia kryptį artėjant prie tam tikrų ribų. Kitaip tariant, anomalias savybes gali lemti ne vienas atskiras „triukas“, o bendras fazinės būsenos mechanizmas.
Tyrėjai taip pat mini vadinamąjį kritinį sulėtėjimą, kai artėjant prie kritinės ribos struktūriniai persitvarkymai vyksta vis lėčiau. Dėl šios priežasties sistema gali ilgiau išlikti „įstrigusi“ tarp būsenų, o tai matavimuose pasireiškia kaip sulėtėję procesai ir padidėję svyravimai.
Ką tai gali reikšti praktikoje
Nors atradimas skamba labai fundamentalus, vandens fazių diagramos supratimas svarbus daugeliui sričių: nuo atmosferos procesų ir debesų mikrostruktūros iki medžiagų mokslo, kur vanduo veikia porėtas medžiagas, ledėjimą ar paviršių sąveikas. Be to, geresni vandens elgsenos modeliai praverčia ir biologijoje, nes vandeniliniai ryšiai lemia baltymų bei membranų aplinką.
Vis dėlto mokslininkai pabrėžia, kad kritinė sritis pasiekiama ekstremaliomis sąlygomis, todėl svarbiausias klausimas yra ne kasdienė „buitinė“ nauda, o tai, ar vieningas mechanizmas iš tiesų paaiškina anomalias vandens savybes platesniame temperatūrų ir slėgių intervale. Tikėtina, kad tolesni tyrimai sieks patikrinti rezultatus skirtingais metodais ir patikslinti, kaip tiksliai atrodo vandens fazių diagrama.
Leave a Reply