Новые доказательства того, что вода разделяется на две разные жидкости при низких температурах
Новый вид «фазового перехода» в воде был впервые предложен 30 лет назад в исследовании ученых из Бостонского университета. Однако, поскольку было предсказано, что переход произойдет в условиях переохлаждения, подтверждение его существования было сложной задачей. Это потому, что при этих низких температурах вода действительно не хочет быть жидкостью, вместо этого она хочет быстро превратиться в лед. Из-за его скрытого статуса об этом фазовом переходе жидкость-жидкость до сих пор многое неизвестно, в отличие от повседневных примеров фазовых переходов в воде между твердой или паровой фазой и жидкой фазой.
Это новое свидетельство, опубликованное в журнале Nature Physics , представляет собой значительный шаг вперед в подтверждении идеи фазового перехода жидкость-жидкость, впервые предложенной в 1992 году. Франческо Шортино, ныне профессор Университета Сапиенца в Риме, был членом первоначальной исследовательской группы. в Бостонском университете, а также является соавтором этой статьи.
Команда использовала компьютерное моделирование , чтобы объяснить, какие особенности отличают две жидкости на микроскопическом уровне. Они обнаружили, что молекулы воды в жидкости с высокой плотностью образуют структуры, которые считаются «топологически сложными», такие как узел-трилистник (подумайте о молекулах, расположенных таким образом, что они напоминают крендель) или связь Хопфа ( подумайте о двух звеньях стальной цепи). Таким образом, говорят, что молекулы в жидкости с высокой плотностью запутаны.
Напротив, молекулы в жидкости с низкой плотностью в основном образуют простые кольца, и, следовательно, молекулы в жидкости с низкой плотностью не запутаны.
Андреас Неофиту, доктор философии. студент Бирмингемского университета у доктора Двайпаяна Чакрабарти, является ведущим автором статьи. Он говорит: «Это понимание дало нам совершенно новый взгляд на то, что сейчас является исследовательской проблемой 30-летней давности, и, надеюсь, это будет только началом».
Исследователи использовали в своем моделировании коллоидную модель воды, а затем две широко используемые молекулярные модели воды. Коллоиды — это частицы, которые могут быть в тысячу раз больше, чем одна молекула воды. Благодаря своему относительно большему размеру и, следовательно, более медленному движению, коллоиды используются для наблюдения и понимания физических явлений , которые также происходят на гораздо меньших атомных и молекулярных масштабах.
Термодинамические аномалии и LLCP в коллоидной воде. а , Схема иерархической самосборки трехблочных пятнистых частиц, приводящая к коллоидной модели воды. Два пластыря, обозначенные буквами А и В, имеют разный размер и образуют связи с разной силой. Патчи A (красные) образуют более прочные связи, чем патчи B (синие), чтобы кодировать двухстадийную сборку при охлаждении. б , Эволюция приведенной плотности ρ ⋆ в зависимости от приведенной температуры T ⋆ для различных приведенных давлений P ⋆ , где P ⋆ × 10 3 = 5, 6, 7, 7,5, 8,5, 9, 10, 12, 14 и 16. Стрелка указывает направление увеличенияп ⋆ . На вставке выделен максимум плотности для P ⋆ × 10 3 = 5, 6, 7 и 7,5. c , Эволюция приведенного коэффициента теплового расширения (α⋆PαP⋆{lpha}_{P}^{star}), изотермической сжимаемости (κ⋆TκT⋆{kappa}_{T}^{star} ) и изобарной теплоемкости (c⋆PcP⋆{c}_{P}^{star}) в зависимости от T ⋆ при P ⋆ = 0,0085 (близком к критическому давлению). Столбики погрешностей представляют стандартное отклонение для пяти наборов траекторий Монте-Карло, каждый из 1 × 10 8 циклов. г , Зависимость ρ ⋆ и доли образующихся связей ВВ ( f b) на P ⋆ при T ⋆ = 0,105 и T ⋆ = 0,112. e , Распределение параметра порядка M для коллоидной воды (синие символы), рассчитанное с использованием повторного взвешивания гистограммы, с T ⋆ ≈ 0,1075, P ⋆ ≈ 0,0082 и s ≈ 0,627 по сравнению с соответствующим трехмерным универсальным распределением Изинга (сплошная красная линия). Авторы и права: Физика природы (2022 г.). DOI: 10.1038/s41567-022-01698-6
Доктор Чакрабарти, соавтор, говорит: «Эта коллоидная модель воды представляет собой увеличительное стекло для молекулярной воды и позволяет нам разгадать секреты воды, связанные с рассказом о двух жидкостях».
Профессор Шортино говорит: «В этой работе мы впервые предлагаем взгляд на фазовый переход жидкость-жидкость, основанный на идеях сетевой запутанности. Я уверен, что эта работа вдохновит на новое теоретическое моделирование, основанное на топологических концепциях».
Команда ожидает, что разработанная ими модель проложит путь к новым экспериментам, которые подтвердят теорию и распространят концепцию «запутанных» жидкостей на другие жидкости, такие как кремний.
Пабло Дебенедетти, профессор химической и биологической инженерии Принстонского университета в США и ведущий мировой эксперт в этой области исследований, отмечает: «Эта прекрасная вычислительная работа раскрывает топологическую основу, лежащую в основе существования различных жидких фаз в одной и той же сети. -образующее вещество.
«При этом он существенно обогащает и углубляет наше понимание явления, которое, согласно многочисленным экспериментальным и вычислительным данным, занимает центральное место в физике самой важной из жидкостей: воды».
Кристиан Микелетти, профессор Международной школы перспективных исследований в Триесте, Италия, чей текущий исследовательский интерес заключается в понимании влияния запутанности, особенно узлов и связей, на статичность, кинетику и функциональность биополимеров, говорит: «В этой единственной статье , Неофиту и др. сделали несколько прорывов, которые будут иметь значение для различных научных областей.
«Во-первых, их элегантная и экспериментально применимая коллоидная модель воды открывает совершенно новые перспективы для крупномасштабных исследований жидкостей легко улавливается путем отслеживания узлов и звеньев в сети связи жидкости.
«Идея поиска таких сложностей в несколько абстрактном пространстве путей, проходящих вдоль временных молекулярных связей, является очень мощной, и я ожидаю, что она будет широко применяться для изучения сложных молекулярных систем».
Шортино говорит: «Вода, одна за другой, раскрывает свои тайны. Представьте себе, как прекрасно было бы, если бы мы могли заглянуть внутрь жидкости и наблюдать за танцем молекул воды , за тем, как они мерцают, как они меняются партнерами, перестраивая сеть водородных связей. Реализация предлагаемой нами коллоидной модели воды может воплотить эту мечту в жизнь».
