Skrytý stav vody při -63 °C: Vědci konečně objasnili, proč led plave a voda se chová tak zvláštně

Vědci ze Stockholmské univerzity možná rozluštili dlouholetou záhadu, proč led plave a proč se kapalná voda při ochlazování pod 4 stupně Celsia roztahuje.

Vědci ze Stockholmské univerzity možná rozluštili dlouholetou záhadu, proč led plave a proč se kapalná voda při ochlazování pod 4 stupně Celsia roztahuje. Objevili totiž důkazy o skrytém kritickém bodě kapalina-kapalina v podchlazené vodě.

Výzkumníci použili rentgenové lasery k určení existence tohoto kritického bodu při teplotě -63 stupňů Celsia a tlaku přibližně 1000 atmosfér (asi 14 500 liber na čtvereční palec). Tento nález pomáhá vysvětlit neobvyklé chování vody a její jedinečné vlastnosti, včetně důvodu, proč kostky ledu plavou, a jak se kapalná voda roztahuje, když její teplota klesne pod 4 stupně Celsia.

Profesor chemické fyziky Anders Nilsson z oddělení fyziky Stockholmské univerzity uvedl, že se jim podařilo rentgenovat neuvěřitelně rychle, ještě než voda zamrzla, a pozorovat, jak přechod kapalina-kapalina mizí a objevuje se nový kritický stav. Voda, ačkoliv je nezbytná pro život, dlouho mátla vědce, protože se nepodobá žádné jiné látce. Její hustota, tepelná kapacita, stlačitelnost a viskozita reagují na změny teploty a tlaku způsoby, které se vymykají typickému chování kapalin. Většina materiálů se při ochlazování smršťuje a stává se hustší. Voda však toto pravidlo nedodržuje. Led plave a kapalná voda dosahuje své nejvyšší hustoty při asi 4 stupních Celsia, což způsobuje, že chladnější, hustší voda klesá ke dnu. Navíc, pokud se voda ochladí pod tuto teplotu, začne se roztahovat. V čisté vodě ochlazené pod 0 stupňů Celsia toto roztahování nejen pokračuje, ale i zrychluje.

Po desetiletí existovaly spekulace a různé teorie vysvětlující tyto pozoruhodné vlastnosti, a jedna z teorií předpokládala existenci kritického bodu. Nyní vědci potvrdili, že takový bod skutečně existuje. K odhalení tohoto nepolapitelného stavu se výzkumníci obrátili na ultrarychlé rentgenové laserové pulzy v zařízeních v Jižní Koreji. Tyto pulzy umožnily poprvé pozorovat vodu v neuvěřitelně krátkých časových měřítcích, dostatečně rychle na to, aby zachytily její strukturu před krystalizací v led.

Experimenty odhalily, že voda může při nízkých teplotách a vysokých tlacích existovat ve dvou odlišných kapalných fázích. Ty se liší v tom, jak se její molekuly organizují a vážou. Za určitých podmínek rozdíl mezi nimi zcela mizí. Bod, kde se obě fáze spojují, je nově potvrzený kritický bod. Podle výzkumného týmu by tento kritický bod mohl vysvětlovat odlišné vlastnosti vody. Vědci se domnívají, že tyto vlastnosti vznikají z fluktuací mezi dvěma kapalnými stavy, a to i při běžných teplotách. Jednoduše řečeno, obyčejná voda se na mikroskopické úrovni neustále mění. Čím blíže jsou podmínky kritickému bodu, tím silnější jsou tyto fluktuace. Studie také zjistila, že molekulární dynamika vody se výrazně zpomaluje, když se blíží kritickému bodu.