Рентгенови лазери сложиха край на 100-годишен научен дебат

Изследователи от Стокхолмския университет и южнокорейския институт POSTECH доказаха съществуването на дълго търсената "течно-течна критична точка" на водата. Експериментът, публикуван в престижното списание Science на 26 март, слага край на научен спор, започнал преди повече от век. С помощта на свръхмощни рентгенови лазери учените успяха да наблюдават поведението на течността при екстремните минус 63 градуса по Целзий и налягане от 1000 атмосфери, разкривайки защо водата притежава уникалните свойства, които правят живота на Земята възможен.

Краят на една 100-годишна загадка

Водата нарушава почти всички правила на термодинамиката. Докато останалите познати течности се свиват и стават по-плътни при охлаждане, водата достига максималната си плътност при 4 градуса по Целзий. Под тази температурна граница тя започва отново да се разширява, поради което ледът не потъва, а плува на повърхността на водоемите, предпазвайки морския живот под себе си от измръзване.

Дебатът за произхода на тези аномалии води началото си още от ранните трудове на откривателя на рентгеновото лъчение Вилхелм Рьонтген. Десетилетия наред физиците подозираха, че причината се крие в съществуването на специфична критична точка в преохладено състояние, при която две различни течни фази на водата се сливат в една. Досега обаче никой не бе успявал да я наблюдава реално, тъй като при толкова ниски температури водата кристализира в лед почти мигновено.

"За десетилетия имаше спекулации и различни теории, които да обяснят тези забележителни свойства, като една от тях беше съществуването на критична точка. Сега открихме, че такава точка съществува", заяви Андерс Нилсон, професор по химична физика в Стокхолмския университет, цитиран от научното издание Phys.org.

Лазери уловиха неуловимото

За да заобиколят светкавичното замръзване, изследователите са използвали съоръжението PAL-XFEL в Южна Корея. Свръхбързите рентгенови импулси, които са милиарди пъти по-ярки от слънцето, са позволили на екипа на професор Ким Кюнг-хуан да заснеме молекулярната структура за една трилионна от секундата.

Оказва се, че така нареченият аморфен лед служи като своеобразна врата към този нестабилен критичен регион. В близост до критичната точка системата изпада в състояние на екстремна нестабилност, при което водата започва бързо да преминава между две различни течни състояния – едното с по-висока плътност, а другото с по-ниска.

"Изглежда почти така, сякаш не можете да излезете от критичната точка, ако сте попаднали в нея, почти като от черна дупка", отбеляза изследователят Робин Тибурски. В това състояние молекулярното движение се забавя драстично, а структурните колебания оказват влияние върху поведението на водата дори при нормални стайни условия.

Връзката с извънземния живот

Откритието надхвърля границите на чистата физика и отваря нови хоризонти пред астробиологията. Екстремните условия от минус 63 градуса и 1000 атмосфери са недостижими в естествената среда на Земята, но те наподобяват средата в дълбоките подледни океани на луните Европа и Енцелад.

"Намирам за много вълнуващо, че водата е единствената супракритична течност при нормални условия, при които съществува живот, и също така знаем, че няма живот без вода", коментира Фивос Перакис от Стокхолмския университет. Този факт повдига фундаменталния въпрос дали уникалната физика на водата е просто съвпадение, или е абсолютно задължително условие за възникването на биологични процеси.

Следващата стъпка пред международния екип, в който участват още учени от Германия и Канада, е да изследва как тази наскоро доказана критична точка управлява химичните, геоложките и климатичните цикли на нашата планета.