испарение

Представьте себе крошечную дыру в листе графена — один отсутствующий атом углерода. Раньше считалось, что молекула воды разрывается на этом дефекте только в одиночку, в сухом газе. Но если вокруг плещется жидкая вода, всё меняется.

В тёмной камере ловушки тысячи заряженных частиц танцуют под электрическими полями. Сначала они движутся свободно, как толпа на площади, но стоит охладить облако, и танец замедляется: ионы начинают чувствовать друг друга, их шаги становятся скованными. В какой-то момент движение замирает совсем, и облако превращается в подобие жидкости, где каждая частица колеблется на месте, но не может уйти далеко.

Камера снимает не гонку, а танец атомов. В диоксиде ванадия переход из изолирующего состояния в металлическое происходит за триллионные доли секунды, но до сих пор никто не видел, как именно движутся атомы ванадия и кислорода. Теперь сверхбыстрая электронная дифракция сняла этот маршрут кадр за кадром.

Пузырёк водорода на платиновом электроде ведёт себя как пловец, который пытается всплыть, но каждый раз, когда он почти отрывается, снизу его хватают за ноги. В лаборатории такое поведение сняли высокоскоростной камерой: миллиметровый пузырь висит у поверхности, хотя сила Архимеда тянет его вверх в тысячи раз сильнее, чем может удержать поверхностное натяжение.

В кастрюле на плите вода начинает бурлить снизу, задолго до того, как закипит вся. Пузырьки пара поднимаются от дна, хотя сама плита ещё не раскалилась. Примерно так ведёт себя атмосфера Солнца перед вспышкой: потоки вещества устремляются вверх из глубоких слоёв, хотя главный источник нагрева, по прежним представлениям, ещё не включился.

Купальный сезон открывается, когда вода кажется терпимой. Но у каждого свой порог: один дрожит при двадцати градусах, другой спокойно плавает при пятнадцати. Учёные решили разобраться, откуда берётся эта разница. Они сравнили тело пловца с домом, который пытается сохранить тепло, пока снаружи дует холодный ветер. Внутри горит печка — это мышцы, вырабатывающие тепло при движении.

Плазма — это ионизированный газ, в котором электроны оторваны от атомов и свободно движутся. Иногда в такой среде самопроизвольно возникают области, где электронов почти нет; их называют дырами. Словно в потоке воды появляется воронка, затягивающая всё вокруг. Но как именно рождается эта воронка — долго оставалось загадкой.

Капля воды с растворённой солью высыхает на столе. Соль не оседает где попало: сначала кристаллы появляются по краю, образуя кольцо — эффект, знакомый каждому, кто видел след от высохшей капли, подобно кофейной гуще на дне чашки. Но что произойдёт, если в капле живут бактерии, способные активно плавать?

В огромном зале рассыпаны бильярдные шары. Сначала они лежат редко, каждый сам по себе. Потом кто-то подсыпает ещё — и вдруг шары спрессовываются в плотные островки. Это и есть фазовый переход — момент, когда вещество резко меняет своё состояние.

Вода превращается в лёд при нуле градусов — резко, без промежуточных состояний. Нечто похожее происходит со сложностью, когда мы берём случайное квантовое состояние целой системы и смотрим только на её часть. Пока эта часть занимает меньше половины системы, её сложность растёт плавно. Но как только доля переваливает за 50%, происходит скачок.

В первые мгновения жизни Вселенная напоминала бурлящий котёл. При остывании в ней происходили фазовые переходы — примерно как пар превращается в воду, только вместо молекул менялось само состояние пространства. В этом котле рождались пузыри новой фазы, похожие на пузырьки в закипающей кастрюле.

Тёмная материя — невидимый каркас, на котором держатся галактики. Но как именно она появилась? Стандартный ответ: частицы тёмной материи когда-то перестали сталкиваться и «застыли» в том количестве, которое мы видим сегодня. Однако есть и более хитрый путь — UFO, или сверхбыстрое застывание.

Если сжать воду между двумя стёклами так, чтобы поместилось всего два слоя молекул, она превращается в нечто среднее между жидкостью и льдом. При комнатной температуре молекулы в такой ловушке ещё двигаются, но уже выстраиваются в подобие кристаллической решётки.

Вода низвергается в пропасть, но часть её взлетает обратно — бурлит и пенится у самого края. Примерно так ведёт себя газ, стекающий на сверхмассивную чёрную дыру, когда его поток становится слишком плотным. В новом исследовании учёные проследили эту картину с помощью компьютерной симуляции.

Повар выливает горячий сахарный сироп на холодный стол, и тот застывает кристаллами. Примерно так инженеры представляли затвердевание металла: жидкость сразу становится россыпью кристаллических зёрен. Но съёмка крупным планом показала, что между жидким и твёрдым вклинивается ещё один этап.

Разложим на столе горсть монет. Каждая монета — это возможный исход: выпадение орла, решки или ещё чего-то. Если мы знаем, насколько хаотичен этот набор (его энтропию), то какие комбинации вероятностей встретятся чаще? Оказывается, ответ зависит от того, много ли хаоса мы разрешили.

В речном потоке вода нередко закручивается в воронки. Но аналогичное поведение демонстрируют и носители заряда в полупроводниках — основе современных микрочипов. При низких температурах и в образцах исключительной чистоты электроны переходят в особое состояние, напоминающее жидкость.

Корабль, скользящий по воде, постоянно трётся о неё, как ладонь о шершавую поверхность. Это трение съедает топливо и замедляет ход. Один из способов уменьшить его — пустить под днище воздух: вода перестаёт прилипать к корпусу, и сопротивление падает. Но воздух ведёт себя капризно: иногда помогает, а иногда мешает.

В твёрдом куске сплава олова и свинца слои двух металлов лежат, как страницы в книге. При нагреве с одной стороны слои плавятся не равномерно, а причудливыми языками и пальцами. Учёные изучили этот процесс на прозрачном сплаве, который под микроскопом виден насквозь, и сравнили с компьютерной моделью.

Алюминиевая кастрюля на плите плавится при 660 градусах Цельсия — это знает каждый. Но что будет, если нагреть алюминий в сто раз сильнее? Жидкость начнёт кипеть, и вот тут начинается загадка: при какой именно температуре это происходит?

Медный кристалл сжимают в алмазных тисках. Давление растёт, и внутри материала разворачивается борьба двух состояний: одно готовит электроны к сверхпроводимости, другое, наоборот, мешает им объединяться. Учёные следили за этой борьбой с помощью сверхкоротких лазерных вспышек.

Вода может быть льдом, жидкостью или паром. Физики называют такие состояния фазами. В теории у каждой фазы есть своя мера — способ описать, насколько она вероятна. Но не всякая мера, которую можно вообразить, встречается в природе. Одни фазы настоящие, а другие — лишь математическая иллюзия. Учёные нашли простой признак, который отделяет реальность от миража.

Обычное оконное стекло кажется застывшим навеки, но внутри него атомы никогда не стоят на месте. В аморфном теллуриде германия (GeTe) — материале, который используют в перезаписываемых дисках и энергонезависимой памяти, — физики впервые напрямую проследили, как атомные связи растягиваются и сгибаются за триллионные доли секунды.

Вода в глубоких недрах Земли сжата сильнее, чем в тысячу раз по сравнению с поверхностью. Даже там она продолжает течь, но её внутреннее устройство меняется. Исследователи измерили, как именно вода сопротивляется течению и сжатию, когда давление растёт от нуля до 1,6 гигапаскаля — это как если бы на каждый квадратный сантиметр поставили груз массой 16 тонн.

Вода в кастрюле при нагреве не закипает, а превращается в лёд. Примерно так ведут себя ультрахолодные атомы в оптической решётке — световой кристаллической сетке, удерживающей атомы на местах. Учёные смоделировали эту систему на компьютере, чтобы понять, как меняется порядок при повышении температуры.

Обычный тепловой двигатель — как мельница между горячим и холодным берегами реки: чем больше перепад, тем сильнее течение. Здесь перепад крошечный, всего один-два градуса, но вода всё равно способна крутить колесо. Секрет в том, что воду заставляют вскипать не нагревом, а резким падением давления — так пар вырывается даже из едва тёплой жидкости.

В сверхпроводнике электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если поместить такой материал в магнитное поле, внутри появляются вихри — крошечные воронки, в которых сверхпроводимость разрушена. Пока эти воронки стоят на месте, ток идёт свободно. Стоит им сдвинуться — возникает сопротивление, и энергия начинает тратиться впустую.

Капля кофе на столе высыхает и оставляет кольцо — кофейные частицы собираются по краю. Если же в капле плавают заряженные наночастицы, картина становится богаче: осадок трескается, как грязь в пересохшей луже. Физики изучили, как заряд частиц и поверхность, на которой сохнет капля, меняют эти трещины.

В стакане с газировкой пузырьки весело поднимаются вверх. Но если воду заморозить, часть пузырьков окажется в плену у льда. Как они туда попадают? Ведь лёд растёт, оттесняя газ, — но не всегда успевает. Учёные взяли газированную воду (воду с растворённым углекислым газом) и замораживали её с разной скоростью: от 1 до 20 микрометров в секунду.

Кусочек материала светится синим. Его нагревают — и свечение становится зелёным, как будто кто-то переключил цвет в светофоре. Так работает новый люминесцентный термометр, описанный в статье. Внутри материала находятся ионы тербия — редкоземельного металла, который умеет светиться. При комнатной температуре они испускают синий свет.

Капля масла в воде ведёт себя как маленький шарик: она стремится занять место с наименьшей энергией. Если рядом есть стенка, капля часто прилипает к ней — так же, как капля дождя растекается по стеклу. В смеси двух несмешивающихся жидкостей, например полиэтиленгликоля и декстрана, образуются мельчайшие капли одной жидкости внутри другой.

Гелий на графите ведёт себя как акробат, который одновременно скользит по канату и держит форму. При температурах в 30 милликельвинов (это в сто раз холоднее, чем в открытом космосе) второй слой гелия на графите приобрёл новые свойства: он стал течь без трения и при этом сопротивляться сжатию, как густой мёд.

Тонкая струйка воды течёт по холодной наклонной доске и на глазах превращается в ледяную гряду. Сначала вода прокладывает себе прямую ледяную дорожку — как будто сама укрепляет берега. Потом ручеёк начинает вилять, лёд быстро расползается в стороны. Наконец, гряда перестаёт расти вширь и начинает толстеть, сглаживая неровности. Лёд растёт там, где вода задерживается дольше.

В сверхтекучем гелии — состоянии, где жидкость течёт без трения, — самопроизвольно возникают квантованные вихри: микроскопические воронки, напоминающие водовороты в обычной воде, но подчиняющиеся законам квантовой механики.