Воду переохолодили до рекордно низької температури

Фізикам вперше вдалося переохолодити водні краплі до ‑ 42,55 градуса Цельсія, що більш ніж на градус нижче попереднього підтвердженого рекорду. Для охолодження використовувався метод швидкого вакуумного випаровування, а температура визначалася за даними комбінаційного розсіювання світла, виходячи з розміру крапель, повідомляють вчені в.

При охолодженні води в нерівних умовах, вона може залишатися в рідкому стані навіть при температурах значно нижче температури плавлення (тобто нуля градусів Цельсія). Така вода називається переохолодженою і для її отримання необхідна відсутність у ній центрів кристалізації. Переохолодити воду більше, ніж на кілька градусів, досить складно, тому всі експериментальні рекорди з отримання найхолоднішої рідкої води відомі для дуже чистих мікрокапель, які не контактують з твердими поверхнями.

До теперішнього моменту найнижча температура, при якій мікрокаплі води вдавалося зберегти в рідкому стані і яку при цьому вдалося виміряти достовірно, становила приблизно ‑ 41 градус Цельсія (варто зазначити, що краплі води, переохолоджені до − 39 градусів Цельсія можна зустріти і в природних умовах в хмарах у верхніх шарах атмосфери). При цьому за результатами теоретичного аналізу та комп'ютерного моделювання відомо, що мінімальна температура, при якій вода все ще може існувати в метастабільному рідкому стані, становить близько − 45 градусів, нижче якої переохолоджений стан вже є нестійким.

Колектив фізиків з Німеччини, Франції, Іспанії та Італії під керівництвом Роберта Грізенті (Robert E. Grisenti) з Франкфуртського університету імені Гете запропонував використовувати для переохолодження мікрокапель води метод швидкого випаровування у вакуумі. Основний недолік цього підходу полягає в тому, що при такому охолодженні досить складно точно визначити температуру. Щоб вирішити цю проблему, автори роботи запропонували використовувати метод комбінаційного розсіювання світла. Виміряючи зміщення раманівського піку за частотою, можна з дуже хорошою точністю визначити розподіл крапель у струмені за розміром, виходячи з якого потім розрахувати втрату маси при випаровуванні і після цього - температуру краплі. Точність такого методу, за оцінками вчених, становить близько 0,5 градуса.

За допомогою запропонованого підходу вченим вдалося охолодити краплі, початковий розмір яких становив близько 6,3 мікрон, до температури ‑ 42,55 градуса Цельсія, що навіть з урахуванням досить великої похибки приблизно більш ніж на градус нижче попереднього рекорду, визначеного достовірним методом вимірювання. Автори роботи відзначають, що в одній з робіт вже писали про переохолодження крапель навіть більшого розміру до таких же температур, як і в даній роботі, однак, по всій видимості, автори попереднього дослідження не врахували можливе нагрівання крапель в результаті опромінення. Надійність методу вимірювань температури, запропонованого в даній роботі, ще належить перевірити.

Вчені повідомляють, що запропонований метод дозволяє охолоджувати і більш великі краплі до досить низьких температур. Крім того, метод комбінаційного розсіювання одночасно з розміром краплі дає можливість стежити і за станом зв'язку між киснем і воднем всередині молекул і водневих зв'язків між молекулами. Виходячи з отриманих даних, у майбутньому вчені сподіваються отримати інформацію про зміну структури водневих зв'язків у воді при переохолодженні до критично низьких температур. За словами авторів дослідження, результати роботи, зокрема, допоможуть більш детально вивчити процеси, що відбуваються при кристалізації льоду в атмосфері, і побудувати більш надійні кліматичні моделі.

Оскільки швидкість кристалізації льоду з переохолодженої води дуже велика, експериментальне дослідження цього процесу теж досить скрутне. Щоб спостерігати за фронтом кристалізації, вчені, зокрема, використовують опромінення короткими лазерними імпульсами напівважкої води. За допомогою такого методу американські фізики описали кристалізацію льоду з води, переохолодженої до температур від _ 90 до ‑ 10 градусів Цельсія і показали, що швидкість зростання кристала залежно від температури може відрізнятися на 11 порядків.