Vandeniui vėstant, jo elgesys fizikos požiūriu tampa vis keistesnis. Ieškodami paaiškinimų, mokslininkai aptiko naują reiškinį: anksčiau nepastebėtą „kritinį tašką“, kuris išryškėja peršaldytame vandenyje, kai šis vis dar neužšąla.

Pasitelkę įvairius slėgio ir temperatūros valdymo metodus, tyrėjai gali išlaikyti vandenį skystą gerokai žemiau įprastos užšalimo ribos. Ankstesniuose darbuose buvo keliama hipotezė, kad tokioje būsenoje vanduo gali atsiskirti į dvi skirtingas fazes – didelio tankio skystį ir mažo tankio skystį.

Naujajame tyrime tarptautinė mokslininkų komanda pateikė tiesesnių įrodymų, kad toks skysčio–skysčio būsenų „dvigubumas“ iš tiesų egzistuoja. Taip pat užfiksuotas kritinis taškas, po kurio vanduo pereina į vieną, bet molekulinės sandaros požiūriu labai nepastovią būseną.

Šių būsenų stebėjimas ilgą laiką buvo itin sudėtingas, nes jos atsiranda ties riba, kur vanduo bet kurią akimirką gali virsti ledu. Tyrėjai šią sritį yra vadinę savotiška „niekieno žeme“, kur patikimi matavimai beveik neįmanomi.

„Ypatinga tai, kad mums pavyko atlikti rentgeno spindulių matavimus neįsivaizduojamai greitai – dar prieš susiformuojant ledui – ir pamatyti, kaip išnyksta skysčio–skysčio perėjimas bei atsiranda nauja kritinė būsena“, – teigia Stokholmo universiteto chemijos fizikas Andersas Nilssonas.

„Dešimtmečius buvo spėliojama ir siūlomos skirtingos teorijos, aiškinančios šias išskirtines savybes, o viena iš jų – kritinio taško egzistavimas. Dabar nustatėme, kad toks taškas yra“, – priduria jis.

Eksperimentuose svarbiausi buvo itin greitas kaitinimas (naudojant infraraudonųjų spindulių lazerius) ir ypač trumpų akimirkų „nuotraukos“ rentgeno spinduliais. Tyrėjų suformuotas ledas buvo prastumtas per skysčio–skysčio būseną, per kritinį tašką ir į svyruojančią būseną – stebint procesą pačiais mažiausiais laiko intervalais.

Nors tikslus kritinio taško „adresas“ dar nėra galutinai nustatytas, tyrimas reikšmingai susiaurino jo ribas. Mokslininkai mano, kad jis yra maždaug ties -63 °C temperatūra ir apie 1000 atmosferų slėgiu – tai turėtų padėti planuoti tolesnius bandymus.

Be to, kritinis taškas, pasak tyrėjų, tam tikrais bruožais primena juodąją skylę: vandeniui artėjant prie šios ribos, skysčio dinamikos procesai lėtėja, o struktūriniai pokyčiai ima trukti vis ilgiau. Dėl to skysčiui praktiškai neįmanoma „išvengti“ perėjimo.

Nors atradimas gali pasirodyti įdomus tik fizikams, jis iš tikrųjų gilina supratimą apie tai, kaip vanduo veikia fundamentaliu lygmeniu ir kodėl kartais elgiasi taip neįprastai. Tai svarbu beveik viskam, kur tik dalyvauja vanduo – tiek Žemėje, tiek už jos ribų.

„Vandens fizikos tyrėjai dabar gali remtis modeliu, kuriame peršaldyto vandens srityje egzistuoja kritinis taškas“, – sako A. Nilssonas.

„Kitas etapas – išsiaiškinti, ką šie rezultatai reiškia vandens vaidmeniui fiziniuose, cheminiuose, biologiniuose, geologiniuose ir su klimatu susijusiuose procesuose“, – priduria jis.

Vandens „keistumą“ nesunku pastebėti net kasdienybėje. Dauguma medžiagų vėsdamos traukiasi ir tankėja, tačiau vanduo elgiasi kitaip – būtent todėl ledo kubeliai plūduriuoja stiklinės viršuje, o ne nugrimzta į dugną.

Vanduo turi ir daugiau neįprastų savybių už savo įprasčiausių būsenų ribų, įskaitant ir šiame tyrime analizuotą „dviejų skysčių viename“ elgseną. Vis dėlto klausimų dar lieka daug.

Mokslininkus domina ir tai, kad vanduo, kiek žinome, yra būtinas gyvybei. Šia kryptimi tyrėjai planuoja judėti toliau.

„Man labai įdomu, kad vanduo yra vienintelis superkritinis skystis įprastomis aplinkos sąlygomis, kuriose egzistuoja gyvybė, ir mes taip pat žinome, jog be vandens gyvybės nėra“, – teigia Stokholmo universiteto chemijos fizikas Fivos Perakis.

„Ar tai tik sutapimas, ar čia slypi esminės žinios, kurias dar tik turėsime atrasti?“ – klausia jis.