Ученые впервые напрямую наблюдали, как вода при охлаждении переходит не в обычный лед, а в стеклоподобное аморфное состояние. В отличие от льда, где молекулы выстраиваются в упорядоченную кристаллическую структуру, в аморфном состоянии они остаются расположены беспорядочно. Исследование показало, что такой переход происходит не в одной определенной точке, а растягивается на диапазон температур.

Вода оказалась «заперта» между молекулами

Исследование провела группа под руководством Раффаэле Медзенги из Швейцарской высшей технической школы Цюриха совместно с Австралийской организацией ядерной науки и технологий. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Чтобы не дать воде превратиться в обычный кристаллический лед, ученые поместили ее в чрезвычайно тонкие слои — толщиной всего несколько нанометров. Вода была зажата между молекулами фитантриола, жирного спирта, который сохраняет стабильность при низких температурах.

В таких условиях молекулам воды не удалось выстроиться в кристаллическую структуру. Ученые смогли проследить за происходящим с помощью рассеяния рентгеновских лучей и нейтронной спектроскопии.

Переход в «стекло» оказался растянутым

При охлаждении примерно от −63 до −20 градусов движение молекул воды постепенно замедлялось. Сам переход в аморфное, стеклоподобное состояние происходил в диапазоне примерно от −74 до −64 градусов.

Именно это стало одним из наиболее интересных результатов работы. Исследователи ожидали увидеть более четкий переход, однако вода не превращалась в аморфное твердое тело в какой-то одной температурной точке. Процесс оказался растянутым на целый диапазон температур.

Аморфный лед при этом не является редкой лабораторной экзотикой. Считается, что именно в таком состоянии вода может существовать в кометах и межзвездном пространстве. Однако непосредственно наблюдать, как вода переходит в это состояние, в лаборатории удавалось лишь в ограниченном числе экспериментов.

Почему вода иногда застывает без кристаллов

Обычный лед образуется, когда молекулы воды выстраиваются в упорядоченную кристаллическую структуру. Такой процесс может менять или разрушать структуру окружающего материала. Если же кристаллы не формируются, вода может перейти в аморфное состояние, сохранив гораздо более беспорядочное расположение молекул.

Поэтому понимание этого процесса представляет интерес не только для фундаментальной физики. Управляемое замораживание без образования крупных кристаллов может быть полезно для криоконсервации клеток и тканей, а также для технологий заморозки продуктов. Похожие проблемы возникают и в фармацевтике, где некоторые препараты и вакцины необходимо замораживать, не допуская потери их свойств.

Новые результаты позволяют точнее описать поведение переохлажденной воды и могут помочь понять, почему в природе она иногда застывает в аморфной форме. Исследование также показывает, что превращение воды в «стекло» — более сложный и протяженный процесс, чем предполагалось ранее.