Физики университета Юты: вода может не замерзать до —48 °C

Всё дело в том, что всем известные «ноль градусов Цельсия» относится к среднестатистической воде, которая всегда содержит некоторое количество примесей. Микрочастички становятся зародышами кристалликов льда (так называемыми центрами кристаллизации), которые постепенно разрастаются, занимая всё доступное пространство.
Учёным известно, что очищенная от примесей вода может не замерзать при температуре ниже нуля градусов Цельсия. Последнее компьютерное моделирование физиков из университета Юты показало, что нижней температуры, которой может достигнуть переохлаждённая жидкость, является отметка —48 °C.

Заставить очень чистую воду (например, дистиллированную) перейти в кристаллическое состояние можно, спонтанно изменив структуру жидкости, рассказывает в пресс-релизе руководитель нынешней работы Валерия Молинеро (Valeria Molinero).

Собственно, Валерию и её коллегу Эмили Мур (Emily Moore) интересовало, в каких условиях в чистой воде сформируются те самые центры кристаллизации и какие размеры должны иметь зародыши, чтобы началось преобразование воды в лёд.

Отметим, что физики научились отслеживать скорость кристаллизации воды до температуры —41 °С. При дальнейшем охлаждении кристаллизация происходит так быстро, что невозможно уследить за свойствами оставшейся воды. Поэтому Молинеро и Мур обратились за помощью к компьютерному моделированию.

Машина позволяет увидеть в миниатюре то, за чем нельзя наблюдать напрямую. Но чтобы сделать обоснованные выводы, необходимо уследить за тысячами зародышей кристаллов. Поэтому в модели Молинеро и Мур участвовало 32768 молекул воды (к слову, меньше чем в обычной капле воды).

Компьютерное моделирование переходных процессов показало, что в определённый момент жидкость обладает свойствами как воды, так и льда. Однако это состояние держится в течение короткого промежутка времени. (Из-за этого доказать само его существование было очень сложно.)

В обычном состоянии каждая молекула H2O «хватается» за соседей слабыми водородными связями, которые постоянно рвутся и образуются снова из-за тепловых флуктуаций. Но по достижении —48 °C меняется молекулярная структура жидкости: каждая молекула воды образует устойчивый тетраэдр с четырьмя другими молекулами воды. Этот «промежуточный лёд» способствует постепенному формированию настоящего льда.

То есть и после достижения отметки —48 °C некоторое количество воды остаётся в жидком состоянии, хотя и на очень короткое время.

В статье в журнале Nature учёные также пишут, что, согласно расчётам, по достижении критической температуры у воды аномально падает плотность, растёт теплоёмкость и сжимаемость.