Используя компьютерную модель для изучения замерзающей воды, команда из Принстонского университета обнаружила, что странное поведение воды может быть результатом своего рода раздвоения личности: при очень низких температурах и выше определенного давления вода может спонтанно разделиться на две жидкие формы.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.
«Наши результаты показывают, что при достаточно низких температурах вода может сосуществовать в виде двух разных жидких фаз разной плотности», – сказал Пабло Дебенедетти, профессор инженерных и прикладных наук 1950 года, декан Принстона по исследованиям и профессор химической и биологической инженерии.
Эти две формы сосуществуют немного как масло и уксус в заправке для салатов, за исключением того, что вода отделяется от самой себя, а не от другой жидкости. «Некоторые молекулы хотят перейти в одну фазу, а некоторые из них хотят перейти в другую фазу», – сказал Джереми Палмер, научный сотрудник лаборатории Дебенедетти.
Открытие, что вода имеет двойную природу, если это можно воспроизвести в экспериментах, могло бы привести к лучшему пониманию того, как вода ведет себя при низких температурах, наблюдаемых в высотных облаках, где жидкая вода может существовать ниже точки замерзания в «переохлажденной». состояние до образования града или снега, сказал Дебенедетти. По его словам, понимание того, как вода ведет себя в облаках, может улучшить предсказательную способность текущих моделей погоды и климата.
Новое открытие служит доказательством гипотезы "перехода жидкость-жидкость", впервые предложенной в 1992 году Юджином Стэнли и его коллегами из Бостонского университета и предметом недавних дебатов.
Гипотеза гласит, что существование двух форм воды может объяснить многие странные свойства воды – не только плавающий лед, но и высокую способность воды поглощать тепло, а также тот факт, что вода становится более сжимаемой по мере того, как становится холоднее.
При низких температурах молекулы в большинстве жидкостей замедляются до умеренного темпа, в конечном итоге превращаясь в плотное и упорядоченное твердое вещество, которое тонет, если поместить в жидкость. Однако лед плавает в воде из-за необычного поведения его молекул, которые по мере охлаждения начинают отталкиваться друг от друга. В результате возникают области с более низкой плотностью, то есть области с меньшим количеством молекул, втиснутых в данный объем, среди других областей с более высокой плотностью.
По мере дальнейшего падения температуры области с низкой плотностью побеждают, становясь настолько распространенными, что они захватывают смесь и замерзают в твердое вещество, которое менее плотно, чем исходная жидкость.
Работа команды Принстона предполагает, что эти области с низкой и высокой плотностью являются остатками двух жидких фаз, которые могут сосуществовать в хрупком или «метастабильном» состоянии при очень низких температурах и высоких давлениях. «Существование этих двух форм могло бы обеспечить объединяющую теорию поведения воды при температурах, варьирующихся от тех, которые мы испытываем в повседневной жизни, вплоть до режима переохлаждения», – сказал Палмер.
С момента выдвижения гипотезы перехода жидкость-жидкость исследователи спорили о том, действительно ли она описывает поведение воды.
Эксперименты разрешили бы спор, но фиксация недолговечного двухжидкостного состояния при таких низких температурах и под давлением оказалась сложной задачей в лаборатории.
Вместо этого исследователи из Принстона использовали суперкомпьютеры для моделирования поведения молекул воды – двух атомов водорода и кислорода, составляющих H2O, – когда температура опускалась ниже точки замерзания.
Команда использовала компьютерный код, чтобы представить несколько сотен молекул воды, заключенных в коробку, окруженную бесконечным количеством похожих коробок. Когда они снижали температуру в этом виртуальном мире, компьютер отслеживал поведение молекул.
Команда обнаружила, что при определенных условиях – около минус 45 градусов по Цельсию и примерно в 2400 раз больше нормального атмосферного давления – виртуальные молекулы воды разделяются на две жидкости, которые различаются по плотности.
По словам Палмера, структура молекул в каждой жидкости также была разной. Хотя большинство других жидкостей представляют собой беспорядочную смесь молекул, в воде есть изрядный порядок. Молекулы соединяются со своими соседями посредством водородных связей, которые образуются между кислородом одной молекулы и водородом другой.
Эти молекулы могут связываться – а затем разъединяться – в постоянно меняющейся сети. В среднем каждая H2O соединяется с четырьмя другими молекулами в так называемом тетраэдрическом расположении.
Исследователи обнаружили, что молекулы в жидкости с низкой плотностью также имеют тетраэдрический порядок, но что жидкость с высокой плотностью отличается. «В жидкости с высокой плотностью пятая соседняя молекула пыталась втиснуться в узор», – сказал Палмер.
Исследователи также рассмотрели еще одну грань двух жидкостей: склонность молекул воды образовывать кольца через водородные связи. Лед состоит из шести молекул воды на кольцо.
Расчеты Фаусто Мартелли, научного сотрудника с докторской степенью под руководством Роберто Кар, Ralph W. * 31 Профессор химии Дорнт обнаружил, что в этой компьютерной модели среднее количество молекул на кольцо уменьшилось с примерно семи в жидкости с высокой плотностью до чуть более шести в жидкости с низкой плотностью, но затем немного увеличилось, прежде чем снова снизилось до шести. молекул на кольцо в виде льда, что позволяет предположить, что еще предстоит узнать о том, как молекулы воды ведут себя во время переохлаждения.
По словам Дебенедетти, лучшее понимание поведения воды при переохлажденных температурах может привести к улучшениям в моделировании влияния высотных облаков на климат. Поскольку капли воды отражают и рассеивают солнечный свет, попадающий в атмосферу, облака играют роль в том, отражается ли энергия солнца от планеты или может попасть в атмосферу и способствовать потеплению. Кроме того, поскольку вода проходит через фазу переохлаждения перед образованием града или снега, такие исследования могут помочь в стратегиях предотвращения образования льда на крыльях самолета.
«Это исследование является своего рода туром по вычислительной физике и дает великолепный академический взгляд на очень сложную проблему и вызывает научные противоречия», – сказал С. Остин Энджелл, профессор химии и биохимии в Университете штата Аризона, которая не принимала участия в исследовании. «Используя конкретную компьютерную модель, группа Дебенедетти предоставила убедительную поддержку одной из теорий, которые могут объяснить выдающиеся свойства реальной воды в переохлажденной области."
В своем компьютерном моделировании команда использовала обновленную версию модели, известной своей способностью фиксировать многие необычные поведения воды, впервые разработанные в 1974 году Фрэнком Стиллинджером, а затем в Bell Laboratories в Мюррей-Хилл, штат Северная Каролина.J., а теперь старший химик в Принстоне; и Анисур Рахман, затем в U.S. Аргоннская национальная лаборатория. Эта же модель была использована для развития гипотезы перехода жидкость-жидкость.
В совокупности эта работа заняла несколько миллионов компьютерных часов, что потребовало бы нескольких человеческих жизней при использовании обычного настольного компьютера, сказал Палмер. В дополнение к первоначальному моделированию команда проверила результаты, используя шесть методов расчета.
Расчеты были выполнены в инфраструктуре Terascale для новаторских исследований в науке и технике (TIGRESS) Исследовательского центра высокопроизводительных вычислений Принстона.