Zespół ze Sztokholmu, korzystając z ultrakrótkich impulsów z laserów rentgenowskich w Korei Południowej, zaobserwował ten punkt w okolicach 210 K, czyli około -63°C, przy ciśnieniu rzędu 1000 atmosfer. Właśnie tam rozmywa się granica między dwoma stanami ciekłej wody: jednym o większej gęstości i drugim o mniejszej. Taka dwoistość od dawna była jednym z najmocniejszych wyjaśnień dla dziwnych własności wody, ale brakowało bezpośredniego eksperymentalnego dowodu.
Brzmi to jak bardzo specjalistyczna wiadomość z niszy fizyki materii skondensowanej, ale w rzeczywistości chodzi o coś znacznie bardziej fundamentalnego. Jeśli woda naprawdę oscyluje między dwiema “osobowościami” ciekłego stanu, to wiele jej kaprysów przestaje być kaprysami, a zaczyna wyglądać jak logiczna konsekwencja głębszej struktury. To trochę tak, jakby ktoś wreszcie znalazł ukryty zawias w drzwiach, które przez sto lat otwierały się w zaskakującą stronę.
Najdziwniejsza ciecz codzienności
Większość substancji podczas chłodzenia po prostu się kurczy i gęstnieje. Woda też zaczyna w tym duchu, ale tylko do pewnego momentu. Największą gęstość osiąga w temperaturze około 4°C, a potem zaczyna zachowywać się jak ktoś, kto nagle zmienia zdanie w połowie rozmowy: dalsze chłodzenie sprawia, że znowu się rozszerza. Dzięki temu lód pływa, jeziora nie zamarzają od dna i życie wodne ma w zimie znacznie większe szanse na przetrwanie.
To jednak dopiero początek listy anomalii. Zmiany ściśliwości, lepkości czy pojemności cieplnej wody również nie układają się tak grzecznie, jak chciałaby podręcznikowa intuicja. Im niżej z temperaturą, tym bardziej woda wygląda jak ciecz, która nie może się zdecydować, według jakich zasad chce grać. Właśnie dlatego przez lata narastało podejrzenie, że za tą pozorną chaotycznością stoi konkretne przejście między dwoma różnymi strukturami cieczy.
W teorii wyglądało to przekonująco od dawna. Problem polegał na tym, że obszar, w którym trzeba było zajrzeć, znajduje się w tak zwanej “ziemi niczyjej” superchłodzonej wody. To strefa, gdzie woda bardzo chętnie i bardzo szybko przechodzi w lód, zanim badacz zdąży zapytać ją o cokolwiek sensownego. Eksperymentatorzy mierzyli się więc nie tyle z tajemnicą, co z brutalnym ograniczeniem czasu. Trzeba było zajrzeć do środka cieczy szybciej, niż ona zdążyła zamienić się w kryształ.
Dwie ciekłe wersje tej samej substancji
Najbardziej fascynujące w tym odkryciu jest to, że mówimy nie o przejściu między wodą a lodem, lecz między dwiema postaciami ciekłej wody. Jedna ma wyższą gęstość, druga niższą. Różnią się sposobem, w jaki cząsteczki budują sieć wiązań wodorowych. W pewnych warunkach można je traktować jak dwa odmienne stany tej samej cieczy, a punkt krytyczny jest miejscem, w którym ta różnica zanika.
To porównanie aż prosi się o obraz bardziej literacki: wyobraźmy sobie tłum ludzi, który raz ustawia się bardzo ciasno, a raz luźniej, choć wciąż pozostaje tym samym tłumem. Z daleka oba układy są podobne, ale lokalnie rządzą nimi inne zasady. W wodzie taką rolę odgrywa geometria wiązań między cząsteczkami. Kiedy układ zbliża się do punktu krytycznego, różnice zaczynają się rozmywać, a ciecz wpada w stan wielkich fluktuacji.
Badacze zaobserwowali też spowolnienie dynamiki układu przy wchodzeniu w ten rejon. To ciekawy szczegół, bo pokazuje, że punkt krytyczny nie jest tylko geometrycznym punktem na wykresie, ale obszarem, w którym sama materia zaczyna zachowywać się inaczej w czasie. Jeden z autorów porównał to wręcz do sytuacji, z której trudno się wydostać, niemal jak z grawitacyjnej pułapki. To porównanie jest efektowne, ale dobrze oddaje intuicję: w pobliżu punktu krytycznego układ staje się wyjątkowo wrażliwy i niestabilny.
Rentgen szybszy niż zamarzanie
Klucz do całego odkrycia był prosty tylko na papierze: zobaczyć wodę, zanim zamieni się w lód. W praktyce wymagało to użycia ultrakrótkich impulsów z laserów rentgenowskich, które potrafią zajrzeć w strukturę cieczy w skali czasu krótszej niż proces krystalizacji. Bez takich narzędzi badanie przypominałoby próbę zrobienia portretu bańce mydlanej w chwili pękania.
Pomogło również to, że wejściem do krytycznego obszaru okazał się świat amorficznych lodów, czyli niekrystalicznych form zamarzniętej wody, badanych od lat przez fizyków. To jeden z tych pięknych momentów nauki, gdy coś znanego od dawna nagle staje się drzwiami do nowego odkrycia. Nie zawsze przełom przychodzi z zupełnie nowym materiałem czy nowym równaniem. Czasem przychodzi wtedy, gdy stare klocki układają się wreszcie w inny wzór.
Źródła: Phys; EurekAlert
