Mokslininkai praneša aptikę anksčiau „paslėptą“ vandens kritinį tašką itin atšaldyto vandens srityje, kai skystis dar neužšąla, bet jo struktūra pradeda elgtis neįprastai. Tyrimas papildo dešimtmečius trukusias diskusijas, kodėl vanduo, artėdamas prie ledo susidarymo, demonstruoja išskirtines fizines savybes.
Vanduo paprastai užšąla ties 0 laipsnių Celsijaus, tačiau tam tikromis sąlygomis jis gali išlikti skystas gerokai žemesnėje temperatūroje. Tokia būsena vadinama peršaldytu vandeniu, o jos matavimai ypač sudėtingi, nes pakanka menkiausio trikdžio, kad prasidėtų kristalizacija ir susiformuotų ledas.
Kas yra kritinis taškas?
Kritinis taškas fizikoje žymi ribą, kurioje medžiagos būsenos pereina viena į kitą taip, kad skirtumas tarp jų išnyksta, o sistemos svyravimai tampa itin ryškūs. Ilgą laiką buvo keliama hipotezė, kad peršaldytas vanduo gali egzistuoti dviejų skirtingų skystų fazių pavidalu: didelio tankio ir mažo tankio skystis.
Naujajame darbe tarptautinė mokslininkų grupė pateikė tiesiogines užuominas, kad toks skysčio ir skysčio virsmas yra realus, o dar svarbiau, jog egzistuoja kritinis taškas, už kurio vanduo pereina į vieną, bet molekuliniu lygmeniu labai nepastovią būseną. Tai padeda sukonkretinti, kur tiksliai slypi vadinamoji matavimų „niekieno žemė“, kai vanduo yra ant ribos tarp skysčio ir ledo.
„Ypatinga tai, kad spėjome atlikti neįtikėtinai greitus rentgeno matavimus dar prieš susidarant ledui ir pamatėme, kaip išnyksta skysčio ir skysčio virsmas bei atsiranda nauja kritinė būsena“, – sakė Stokholmo universiteto mokslininkas Andersas Nilssonas.
Kaip tai pavyko užfiksuoti?
Tyrime derinti du itin greiti metodai: staigus pašildymas infraraudonųjų spindulių lazeriais ir momentinės rentgeno „nuotraukos“, leidžiančios stebėti pokyčius labai trumpais laiko tarpais. Tyrėjai modeliuotai „pervedė“ paruoštą ledą per ribinę sritį, kurioje, kaip manoma, vanduo persitvarko tarp dviejų skystų būsenų.
Remiantis gautais duomenimis, kritinis taškas gali būti apie minus 63 laipsnius Celsijaus ir maždaug 1 000 atmosferų slėgyje. Nors tiksli vieta dar nėra galutinai nustatyta, ribos susiaurintos, todėl tolesni eksperimentai galės tiksliau patikrinti, kaip kinta vandens molekulinė sandara šioje zonoje.
„Dešimtmečius buvo keliamos prielaidos ir kuriamos skirtingos teorijos, o viena jų buvo kritinio taško egzistavimas. Dabar radome, kad toks taškas iš tiesų yra“, – sakė Andersas Nilssonas.
Kodėl tai svarbu ne tik fizikai?
Nors rezultatai skamba labai fundamentalūs, jie svarbūs suprantant vandens elgesį procesuose nuo cheminių reakcijų iki biologijos ir klimato sistemų. Vanduo išsiskiria tuo, kad ledas yra mažesnio tankio nei skystas vanduo, todėl plūduriuoja, o ši anomalija lemia, kaip užšąla ežerai, kaip išsilaiko ekosistemos ir kaip šiluma pasiskirsto gamtoje.
Tyrėjai pabrėžia, kad geresnis peršaldyto vandens supratimas gali padėti tikslinti modelius, taikomus atmosferos ir debesų mikrofizikai, taip pat aiškinantis vandens būsenas ekstremaliomis sąlygomis, pavyzdžiui, kitose planetose ar jų palydovuose. Kitas žingsnis, pasak autorių, yra įvertinti, ką šis kritinis taškas reiškia platesniame fizinių, cheminių ir biologinių procesų kontekste.
„Kitas etapas yra išsiaiškinti, kokias pasekmes šie rezultatai turi vandens svarbai fiziniuose, cheminiuose, biologiniuose, geologiniuose ir su klimatu susijusiuose procesuose“, – sakė Andersas Nilssonas.
Tyrimas publikuotas žurnale Science, o Stokholmo universitetas atskirai pristatė eksperimentinius rezultatus ir jų reikšmę vandens fazių teorijoms. Mokslininkai neatmeta, kad būsimi matavimai leis dar tiksliau „pririšti“ kritinio taško koordinates ir patikrinti, kaip šis perėjimas susijęs su kitomis vandens anomalijomis.
Šaltiniai:
– https://www.su.se/english/divisions/department-of-physics/news/articles/2026-03-27-experimental-discovery-of-a-new-critical-point-in-water
– https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec0018
Leave a Reply