Нова рідина не має нічого спільного з поліводою, науковим фіаско минулих десятиліть. Нове явище – це фазовий перехід рідина-рідина, і дотепер його спостерігали виключно при комп’ютерному моделюванні.

Незвичайні термодинамічні властивості води вказують на те, що при переохолодженні повинна існувати друга критична точка між двома рідкими фазами, які відрізняються щільністю. Проблема спостереження цього явища безпосередньо в реальній воді полягає в тому, що незадовго до того, як теоретично має відбутися перехід, реальна вода просто кристалізується до льоду. Це називається “кристалізаційною завісою”, і саме вона на десятиліття закувала прогрес у розумінні фізики води та води в біології.

“Область між цією температурою кристалізації та набагато меншою температурою, при якій склоподібна вода (утворена осадженням молекул води з пари) кристалізується під час нагрівання, була відома як “нічийна територія”. Ми знайшли спосіб відвести “кристалізаційну завісу” достатньо, щоб побачити, що відбувається за нею – а точніше – під.

– Остін Енджелл.

Фазовий перехід між станами рідини, про який говориться у статті, має багато спільного з переходом до льоду, але відбувається при набагато нижчій температурі, приблизно -90 ° С, і тільки в умовах суперохолодження.

Фізика переходу

Енджелл пояснив, що кілька років тому він і науковий співробітник Цзофен Чжао вивчали термічну поведінку спеціального типу “ідеального” водного розчину, необхідного для вивчення згортання і розгортання глобулярних білків. Вони хотіли виявити здатність такого розчину до переохолодження та подальшого перетворення речовин у скловидну форму. Щоб виявити межі для оскловування, вони вводили у розчин додаткову воду для підвищення ймовірності кристалізації суміші “лід-вода” та виявили, що замість виділення тепла під час кристалізації (лишаючи залишковий незамерзаючий розчин), як це зазвичай трапляється при охолодженні соляних розчинів, тепло виділялося, щоб утворити нову рідку фазу.

Нова рідина була більш в’язкою, може навіть склоподібною. Крім того, обернувши напрям зміни температури, Енджелл і Чжао виявили, що вони можуть перетворити нову фазу назад у вихідну, перш ніж лід почне кристалізуватися.

Дане спостереження викликало значний інтерес наукової спільноти, але все ще не вистачало притомних пояснень, чому це відбувається. І пояснення знайшлися, коли Енджелл відвідав Амстердамський університет і зустрівся зі спеціалістом з інфрачервоної спектроскопії Сандером Вутерсеном, який дуже зацікавився структурними аспектами цього явища.

Вутерсен з колегами використовували метод калориметрії, інфрачервоної спектроскопії та молекулярної динаміки для дослідження розчину гідразину трифторацетату, в якому локальна сполука водневих зв’язків, оточена молекулою води, нагадує таку ж в чистій воді при підвищеному тиску, але яка не кристалізується при охолодженні. Замість цього даний розчин пройшов різкий, зворотний фазовий перехід між двома однорідними рідкими станами. Структури водневих зв’язків цих двох станів схожі з тими, що встановлені для аморфної (високо- та низькоактивні аморфні тверді фази) води з високою і низькою щільністю.

“Перехід, який ми виявили, був “живим аналогом” зміни між двома скляними станами чистої води, про які повідомлялося в 1994 році, використовуючи чистий тиск в якості рушійної сили”.

– Остін Енджелл.

Попри надмірну теоретизованість та кількість умов експерименту, така поведінка є майже унікальною серед безлічі відомих молекулярних рідин.