Mokslininkai pagaliau priartėjo prie atsakymo: sužinokite, kas slypi peršaldytame vandenyje

Vanduo yra viena labiausiai paplitusių, bet kartu ir mįslingiausių medžiagų: net kasdienėmis sąlygomis jis elgiasi kitaip nei dauguma skysčių. Ilgą laiką fizikai bandė paaiškinti vandens anomalijas, ypač tada, kai jis atšaldomas gerokai žemiau nulio, bet vis dar išlieka skystas. Tarptautinė mokslininkų komanda paskelbė užfiksavusi įrodymų, rodančių paslėptą vadinamąjį kritinį tašką peršaldytame vandenyje.

Vandens išskirtinumas prasideda nuo paprastos, bet gyvybiškai svarbios savybės: didžiausias jo tankis pasiekiamas apie 4 laipsnius Celsijaus. Žemiau šios ribos vanduo ima plėstis, todėl ledas yra lengvesnis už skystą vandenį ir plūduriuoja. Dėl to ežerai užšąla nuo viršaus, o po ledu išlieka sąlygos gyvybei.

Kas yra paslėptas kritinis taškas?

Viena įtakingiausių hipotezių teigia, kad itin žemose temperatūrose vanduo gali turėti dvi skirtingas skystas būsenas: didelio tankio ir mažo tankio. Tokiu atveju turėtų egzistuoti kritinis taškas, kuriame riba tarp šių dviejų skysčio būsenų išnyksta, o medžiagoje pradeda vykti itin stiprios tankio ir struktūros fluktuacijos.

Problema ta, kad prie šių sąlygų vanduo linkęs labai greitai kristalizuotis ir virsti ledu. Dėl to susidaro vadinamoji fizikos niekieno žemė, kai įprasti matavimo metodai nebespėja užfiksuoti, kas vyksta, kol skystis dar nespėjo sušalti.

Kaip pavyko pamatyti tai, ko nematė dešimtmečius?

Tyrėjai pasitelkė itin trumpus infraraudonųjų lazerių impulsus, kad staigiai pašildytų ledo mėginius ir labai trumpam sukurtų skysto vandens būseną žemose temperatūrose. Tuomet greitomis rentgeno spinduliuotės „nuotraukomis“ buvo fiksuojami struktūros pokyčiai laiko skalėje, kurioje ledas dar nespėja susiformuoti.

Gauti rezultatai paskelbti mokslo žurnale „Science“. Autorių teigimu, stebėjimai atitinka scenarijų, kuriame peršaldytas vanduo artėja prie kritinio taško: perėjimas tarp dviejų skystų būsenų silpnėja, o molekulinė struktūra ima svyruoti vis intensyviau.

„Dešimtmečius turėjome kelias konkuruojančias teorijas, aiškinančias vandens anomalijas, tačiau dabar turime eksperimentinių duomenų, kurie padeda atsirinkti realybę geriausiai aprašantį modelį“, – sakė vienas iš tyrimo vadovų Anders Nilsson.

Kodėl tai svarbu biologijai ir planetoms?

Nors tyrimas atrodo labai fundamentalus, jis gali turėti platesnių pasekmių. Vandens molekulinės struktūros ir vandenilinių ryšių dinamika yra tiesiogiai susijusi su biocheminėmis reakcijomis, baltymų stabilumu bei tirpimo procesais, todėl gilesnis supratimas gali praplėsti tai, kaip modeliuojami procesai gyvuose organizmuose.

Astronomijoje ir planetologijoje tokie duomenys reikalingi geriau prognozuoti vandens elgseną ekstremaliomis sąlygomis, kurios būdingos lediniams palydovams ar didžiųjų planetų gelmėms. Pavyzdžiui, egzotinės vandens fazės aukšto slėgio ir žemos temperatūros sąlygomis siejamos su šilumos pernaša ir net magnetinio lauko formavimosi mechanizmais planetų viduje.

Autoriai pabrėžia, kad tai nėra galutinis atsakymas į visas vandens paslaptis. Tačiau patikimesnis kritinio taško paveikslas gali tapti atrama naujiems tyrimams, kurie sujungs fundamentalią fiziką, chemiją, klimato mokslą ir kosminių kūnų modeliavimą.