"Главная жидкость, без которой невозможна жизнь, обладает намного более странными свойствами по сравнению с другими веществами. Теперь благодаря нашим новым установкам мы смогли заглянуть внутрь среды, которая выявила уникальные свойства природы воды", — говорит ведущий автор исследования Андерс Нильссон (Anders Nilsson).

Несмотря на простую молекулярную структуру, вода обладает массой необычных свойств. Например, в твёрдом состоянии, то есть будучи льдом, вода имеет меньшую плотность, чем будучи жидкостью. Она способна поглощать большое количество тепла, которое перемещается на большие расстояния с океанскими течениями, а особое распределение плотности по всему объёму защищает океаны и озера от полного замерзания от поверхности до самого дна.

Ещё больше удивительных свойств вода приобретает, когда она очищается и охлаждается до очень низких температур. Когда вода очень чистая и не имеет никаких примесей, которые могли бы поспособствовать кристаллизации (то есть формированию льда), она может оставаться в жидком виде даже при очень низких температурах.

В течение многих десятилетий учёные пытались лучше изучить, что происходит с молекулами воды при температурах ниже минус 42 градусов по Цельсию, но прежде им приходилось полагаться лишь на теоретические расчёты и компьютерное моделирование.

Нильссон и его коллеги использовали лазерные рентгеновские импульсы длительностью в квадриллионную долю секунды для получения чётких снимков, демонстрирующих подробную молекулярную структуру жидкой воды в нейтральной зоне.

Исследование показало, что структура постоянно преобразуется, когда она входит в нейтральную зону, и при дальнейшем охлаждении структурные изменения протекают значительно быстрее, чем предсказывали теоретические модели. Оказалось, что при охлаждении до -46 градусов молекулы воды собираются в пирамиду (молекулы H2O располагаются в вершинах). Прежние исследования этого увидеть не позволяли.

Для проведения эксперимента физики заставили крошечные капли воды двигаться устойчивым потоком в вакуумной камере. При перемещении этих капель по направлению к лазерному лучу, некоторые из них быстро испарялись и оставшаяся жидкость дополнительно охлаждалась. Регулируя расстояние, которое нужно было преодолеть каплям до встречи с лазерными импульсами, исследователи достигали нужных температур жидкости.

В пресс-релизе рассказывается, что в будущем команда Нильссона надеется достичь ещё более низких температур, при которых вода превращается в стекловидное некристаллическое вещество. Также учёные планируют определить точную температуру, при которой необычные свойства воды достигают своего пика.

Это исследование имеет большое значение не только для фундаментальной физики, но и для изучения климата, поскольку нейтральная зона встречается в верхних слоях атмосферы и протекающие в ней процессы влияют на глобальный климат.

Статья с результатами исследования вышла в журнале Nature.

Также по теме:
Раскрыт секрет быстрого застывания горячей воды 
Физики доказали, что магнитное поле изменяет передачу тепла материалом 
Физики обнаружили в твёрдом полупроводнике "квантовые капли" 
Физики разгадали многолетнюю загадку о поведении электронов 
Физики получили ранее невиданный тип материи из света