Ūdens ļoti neparasti reaģē uz ļoti zemām temperatūrām. Sāksim ar to, ka, atdziestot, pretēji loģikai, ūdens nevis sarūk, bet izplešas (tāpēc ledam ir peldspējas īpašība). Aukstais ūdens ir mazāk saspiežams nekā karstais. Turklāt, sasalstot, ūdens molekulas var mainīt savu pozīciju visos iespējamos veidos.
Tam visam ir grūti atrast izskaidrojumu, un pastāvošās teorijas zinātniskās aprindās izraisa asas polemikas. Viens no tiem tika formulēts gandrīz pirms trim desmitgadēm un bija tāds, ka ledus ūdens var pastāvēt divās dažādās šķidrās formās, no kurām vienai ir mazāk blīva struktūra. Citiem vārdiem sakot, ir divu veidu ūdens, no kuriem katrs ir atsevišķs šķidrums. Šo teoriju ir grūti pierādīt laboratorijā, bet itāļu zinātniekiem ir izdevies atrast pierādījumus, lai to aizstāvētu. Pētījums nesen tika publicēts žurnālā Science.
Savā pētījumā zinātnieki Pablo Debenedetti un Gul H. Zerze no Prinstonas universitātes un Francesco Shortico no La Sapienza Romā norāda, ka "otrais ūdens kritiskais punkts" notiek temperatūrā no -83 līdz -100 grādiem un atmosfēras spiedienā, kas ir gandrīz 2000 reizes augstāks. nekā spiediens virs jūras līmeņa. Kritiskais punkts ir vienīgā temperatūras un spiediena vērtība, kurā divas vielas fāzes kļūst neatšķiramas, un tas notiek tieši pirms vielas pārejas no vienas fāzes uz otru. Piemēram, ūdenim ir labi zināms kritiskais punkts pārejā no šķidruma uz tvaiku.
"Iedomājieties tikai mūsu prieku, kad redzējām, ka kritiskās svārstības notiek tieši tā, kā mēs gaidījām, - skaidro Sortino, - tagad es varu gulēt mierīgi, jo pēc 25 gadiem mana ideja beidzot ir atradusi apstiprinājumu."
Līdz šim eksperimenti, kuros tika izmantotas reālas ūdens molekulas, lai pārbaudītu otro "pārāk atdzisušā" ūdens kritisko punktu, nevarēja sniegt nepārprotamus pierādījumus par tā esamību. Tas lielā mērā ir saistīts ar faktu, ka ledains ūdens parasti pārvēršas par ledu, sacīja Debenedetti.
Šī iemesla dēļ pētnieki nolēma izmantot datoru modeļus. Process ir patiesi darbietilpīgs: neskatoties uz mūsdienu superdatoru lielo jaudu, zinātnieki 18 mēnešus veica, veicot modeļiem nepieciešamos aprēķinus.
Simulācijās, kad temperatūra vēl bija tālu no sasalšanas punkta, ūdens blīvums sāka ievērojami svārstīties. Tā rezultātā zinātniekiem izdevās atrast kritisko punktu, kuru viņi meklēja divos dažādos ūdens datormodelos. Tajā pašā laikā, lai atrastu ūdens kritisko punktu abos modeļos, tika izmantotas dažādas skaitļošanas pieejas.
Tāpat kā pārejā no šķidrās fāzes uz gāzes fāzi, ledus ūdens var mainīties divās dažādās fāzēs atkarībā no tā, kā tā molekulas tiek pārkārtotas. Tādējādi zema blīvuma šķidrumā četras molekulas tiek grupētas ap centrālo molekulu, veidojot tetraedru. Tomēr šķidrumā ar lielāku blīvumu spēlē sestā molekula, kas noved pie tā blīvuma palielināšanās.
Reklāmas video:
Savā rakstā pētnieki raksta, ka "mūsu skaitļošanas iespēju robežās ir pierādīta metastabilā kritiskā punkta esamība ūdens molekulu dziļas atdzišanas stadijā".
Protams, tagad šis secinājums ir jāapstiprina ar citiem eksperimentiem, "izmantojot precīzākus un dārgākus skaitļošanas līdzekļus".