О второй критической точке воды

В августовском номере журнала Physics Today рассказывается поучительная и полная драматизма история многолетней борьбы двух научных школ в решении проблемы существования второй критической точки на фазовой диаграмме переохлажденной воды. Проблема возникла в 70-х годах прошлого века, когда проф. Angell выявил резкое возрастание изотермической сжимаемости и интенсивные флуктуации плотности, указывающие на существенную трансформацию структуры при глубоком переохлаждении воды. Однако, сам этот переход оставался недоступным для наблюдения, поскольку происходил при температуре однородной нуклеации, где жидкое состояние является крайне нестабильным.



В отсутствие прямого эксперимента эта область стала объектом исследований для теоретиков. Проф. Gene Stanley предположил, что у воды глубоко в переохлажденном режиме есть вторая критическая точка.

При температурах ниже этой точки существуют две жидкие фазы разной плотности, которые сливаются выше этой точки. Тогда флуктуации плотности в экспериментах Angell могут рассматриваться как проявление близко происходящих фазовых переходов. Интересно, что эта теория объяснила и особенности свойств при обычных температурах: максимум плотности при 4 C и минимум изотермической сжимаемости при 46 C.


Однако, до проведения масштабных молекулярно-динамических исследований эта теория могла иметь статус только гипотезы, поскольку именно машинный эксперимент мог бы выявить наличие двух или одного минимума на поверхности свободной энергии. Наличие двух минимумов являлось бы указанием на двухжидкостную модель переохлажденной воды с возможностью слияния фаз выше характерной критической точки.


За решение этой проблемы взялись две научные группы, возглавляемые проф. Chandler (University of California, Berkeley) и Debenedetti (Princeton University). Несмотря на их огромный опыт и высокий авторитет в научном мире, результаты обеих групп не совпали даже качественно. Только данные проф. Debenedetti подтвердили возможность фазового расслоения, группа проф. Chandler резко отрицала эту возможность.


На протяжении семи лет между ними шло интенсивное противоборство, к сожалению, вышедшее за рамки научной этики. Наконец, тщательное сравнение двух компьютерных кодов выявило очень тонкую ошибку, запрятанную в кодах, использованных группой проф. Chandler; ее устранение восстановило идентичность результатов, подтвердив тем самым всю концепцию двухжидкостной модели.


В апреле 17 года статья Принстонской группы была опубликована без опровержений, и семилетняя сага подошла к концу. Увы, к этому моменту проф. Chandler скончался, так что его окончательное мнение осталось неизвестным.


Уже по завершении этой эпопеи экспериментаторы нашли уникальную возможность «разглядеть» динамику воды ниже температуры нуклеации, используя высокоскоростные методы рентгеновской дифракции. Этот эксперимент дает картину , напоминающую двухфазную модель, хотя и оставляют место для альтернативных интерпретаций.





Этот эксперимент дает картину , напоминающую двухфазную модель,

Дата публикации: 2018-10-02 (1463 Прочтено)