Ученые, возможно, наконец разгадали давнюю загадку того, почему лед плавает и почему жидкая вода расширяется при охлаждении ниже четырех градусов Цельсия. Исследователи из Стокгольмского университета обнаружили свидетельства существования скрытой критической точки жидкость-жидкость в переохлажденной воде — состояния, которое долгое время оставалось неуловимым для науки. С помощью сверхбыстрых импульсов рентгеновского лазера они зафиксировали эту точку при температуре минус 63 градуса Цельсия и давлении около 1000 атмосфер.

Вода долгое время ставила ученых в тупик, поскольку ее поведение противоречит законам, которым следуют большинство других жидкостей. Обычно материалы сжимаются при охлаждении и становятся плотнее, но вода достигает максимальной плотности при четырех градусах Цельсия, а затем начинает расширяться. Именно поэтому лед плавает, а холодная вода в озере зимой поднимается вверх, не давая водоему промерзнуть до дна. На протяжении десятилетий ученые предполагали, что причиной этих аномалий может быть существование скрытой критической точки, где вода способна одновременно находиться в двух разных жидких фазах.

Чтобы подтвердить эту гипотезу, исследователи использовали сверхбыстрые рентгеновские лазеры, способные делать снимки с невероятной скоростью — достаточно быстро, чтобы зафиксировать структуру переохлажденной воды до того, как она успевает кристаллизоваться в лед. Эксперименты показали, что при низких температурах и высоком давлении вода действительно может существовать в двух различных жидких фазах, которые различаются способом организации и связывания молекул. В определенный момент различие между ними полностью исчезает — и это слияние двух фаз и является искомой критической точкой.

По словам профессора Андерса Нильссона, руководившего исследованием, полученные результаты разрешают давний научный вопрос и открывают новые направления для изучения. Ученые полагают, что аномальные свойства воды при комнатной температуре возникают из-за постоянных колебаний между двумя жидкими состояниями на микроскопическом уровне, и чем ближе условия к критической точке, тем сильнее становятся эти колебания. Как отметил исследователь Робин Тыбурски, из критической точки практически невозможно выйти, если в нее войти — это почти как попасть в черную дыру. Следующий этап, добавил Нильссон, — выяснить, как эти результаты повлияют на понимание роли воды в физических, химических, биологических, геологических и климатических процессах. Исследование опубликовано в журнале Science.