Вода покрывает около 70 процентов поверхности Земли и составляет примерно 60 процентов массы человеческого тела. Но даже такое привычное вещество до сих пор способно удивлять физиков.
При охлаждении вода обычно превращается в знакомый нам лёд: молекулы выстраиваются в упорядоченную кристаллическую структуру. Однако возможен и другой вариант — так называемая стеклообразная вода, в которой молекулы застывают беспорядочно, не формируя обычных кристаллов.
Такое состояние воды встречается, например, в стратосферных облаках над полярными регионами. Оно также помогает организмам, приспособленным к экстремальному холоду, избегать повреждений клеток кристаллами льда.
Но сам переход жидкой воды в стекло долгое время практически не удавалось наблюдать напрямую.
Проблема заключалась в том, что при охлаждении вода слишком охотно образует обычный лёд. Кристаллы появлялись раньше, чем исследователи успевали добраться до предполагаемой температуры стеклования и рассмотреть происходящее.
Считалось, что обычная вода должна переходить в стекло примерно при минус 135 градусах Цельсия. Однако добраться до этого состояния мешала кристаллизация.
Теперь учёные нашли способ обойти препятствие.
Они заключили чрезвычайно тонкий слой воды — толщиной всего в несколько молекул и менее одной миллиардной метра — между двумя липидными слоями из особого жирного спирта. Эта структура сохраняет стабильность и текучесть даже при сильном охлаждении.
Оказавшись в таком ограниченном пространстве, вода не могла нормально образовывать кристаллы. Благодаря этому физикам удалось подробно проследить её переход от жидкости к стеклообразному состоянию.
И здесь обнаружился сюрприз.
Оказалось, что изменения начинаются при гораздо более высоких температурах и происходят в значительно более широком диапазоне, чем предполагалось ранее.
Команда под руководством Раффаэле Мецценги из Швейцарской высшей технической школы Цюриха совместно с австралийскими исследователями использовала компьютерное моделирование, рентгеновское излучение и нейтронные измерения, чтобы проследить поведение воды на масштабах меньше нанометра.
Особенно важными оказались наблюдения за движением атомов водорода. Это позволило исследователям изучать динамику самой воды даже внутри сложной липидной структуры.
Выяснилось, что движение молекул начинает постепенно замедляться в огромном температурном диапазоне — примерно от минус 63 до минус 20 градусов Цельсия.
Наиболее резкие изменения в подвижности молекул происходили примерно между минус 35 и минус 21 градусом. Вода становилась всё более «вязкой» на молекулярном уровне, а её движения резко замедлялись.
Но окончательное структурное превращение происходило ещё ниже — приблизительно между минус 74 и минус 64 градусами.
В этом диапазоне молекулы уже фактически фиксировались в беспорядочном положении. Вместо упорядоченного ледяного кристалла получалось твёрдое стеклообразное состояние.
Таким образом, исследователи впервые смогли подробно увидеть то, что раньше скрывалось внутри обычного процесса кристаллизации.
Работа важна не только для понимания одного из самых привычных и одновременно необычных веществ на Земле.
Авторы отмечают, что результаты могут оказаться полезны для изучения любых процессов, где вода находится в очень тесном пространстве при низких температурах. Среди возможных областей они называют криоконсервацию биологических материалов и глубокую заморозку продуктов.
Приведёт ли это в будущем к улучшению сохранения тканей или, например, к появлению мороженого с совершенно новой структурой, пока неизвестно.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
