фазовое поведение воды

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.

Озеро в засуху мелеет не сразу. Сначала на глади появляются островки суши, они расширяются, сливаются, и лишь потом вода уходит с обнажившегося дна. Похожим образом ведёт себя кристалл мирабилита, когда теряет воду: на его поверхности проступают круглые пятна безводной соли, которые растут вширь, а затем начинают углубляться.

В тонком слое жидкого кристалла молекулы обычно ориентированы подобно спичкам в коробке: их длинные оси параллельны, но направления «вверх» и «вниз» распределены хаотично. Чтобы заставить все молекулы смотреть в одну сторону, требуется особое молекулярное устройство. Исследователи нашли химический приём, который делает это почти автоматически.

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?

На концерте в плотной толпе каждый шаг даётся с трудом — чем теснее, тем меньше хочется двигаться. Так обычно ведёт себя и активная материя: рои бактерий или стаи роботов замирают в тесноте. Но одна группа исследователей обнаружила обратный эффект.

Вода — не просто мокрое вещество. На масштабе пикосекунд она напоминает танцпол, где молекулы непрерывно рвут и создают связи друг с другом. Обычно этот танец описывают одним главным движением — коллективным расслаблением, как если бы вся толпа одновременно замедлялась после выключения музыки.

В замысловатом танце активной турбулентности, где невидимые двигатели рождают хаос, мягкая капля примеряет роль детектива. Её форма — не просто очертания, а чуткий шифр: она считывает тайные сигналы окружения.

В воде, охлаждённой до −40 °C, наступает парадоксальная пауза: идеальный гексагональный лёд не спешит рождаться. Вместо этого образуется разупорядоченная структура с вкраплениями кубических слоёв — настоящая колыбель для будущей симметрии, полная беспорядка, но уже заряженная скрытой архитектурой.

У каждой активной частицы в новой модели есть внутренний ритм: она вращается либо влево, либо вправо. Хиральность — ключевое свойство: одни кружатся по часовой стрелке, другие — против. Но стоит такой частице столкнуться с препятствием или соседкой, как она переключает своё вращение, словно фигурист, который после касания борта взрывается обратным пируэтом.

С помощью космического телескопа JWST астрономы выполнили спектроскопический анализ — метод, позволяющий по свету определить химический состав удалённых объектов — кентавра Хирон, ледяного тела с окраин Солнечной системы. Выяснилось, что его газовая активность напоминает слоёный пирог. С поверхности испаряется углекислый газ, формируя верхнюю корку.

Плутоний — металл с характером. Одна его форма сжимается при охлаждении, другая — разбухает. Но при комнатной температуре сплав ведёт себя странно: линейка показывает одно, а рентгеновские лучи — другое. Линейка говорит, что образец почти не растёт, а рентген видит, как атомы в кристаллической решётке разъезжаются всё дальше. Куда исчезает лишний объём? Ответ, возможно, кроется в появлении невидимой фазы.

Клетка, которая собирается разделиться, сначала намечает на себе талию. Под её оболочкой, в тонком геле из белковых нитей, начинается движение. Нити текут, как медленная река, и в середине клетки образуется пояс. Этот пояс сжимается всё сильнее, пока клетка не перешнуруется пополам. Учёные построили компьютерную модель этого процесса.

Поток электронов влетает в плазму, как струя воды бьёт в спокойный пруд. Струя возмущает поверхность, рождая волны, которые быстро растут и перемешивают воду. В плазме такой процесс называется неустойчивостью Бунемана: электронный пучок раскачивает колебания, которые затем рассеивают его энергию.

Азот — тот самый газ, которым мы дышим, — под давлением в миллион атмосфер ведёт себя как капризный металл. В камере с алмазными наковальнями его сжимают до 78–98 гигапаскалей и греют лазером до 1800–2500 кельвинов. В этих условиях молекулы N₂ перестраиваются в кристаллы, которые могут запасать энергию плотнее, чем взрывчатка.

В плотном облаке газа и пыли, где рождаются звёзды-гиганты, телескоп ALMA разглядел нечто знакомое. Четыре тонкие струи газа вылетают из одной и той же области, и каждая оставляет за собой цепочку ярких узелков — как пунктирная линия. Каждый узелок — это отдельный «выстрел»: звезда выбрасывает газ не ровным потоком, а порциями, с перерывами. Две струи изгибаются, как буква S.

На Большом адронном коллайдере сталкиваются не только ядра, но и отдельные протоны. Даже в таких маленьких системах наблюдается коллективное поведение, похожее на течение жидкости. Но протон — квантовый объект, его состояние описывается волновой функцией, а не температурой и давлением.

В пористых материалах — почве, горных породах, фильтрах — жидкости движутся через крошечные извилистые каналы. Когда в такой среде одновременно присутствуют две несмешивающиеся жидкости, например вода и воздух, граница между ними постоянно меняется: пузырьки воздуха вытесняют воду из одних пор и открывают путь другим.

В узкой щели между двумя пластинками вода из влажного воздуха собирается сама собой — это капиллярная конденсация. Если щель шириной всего несколько нанометров, вода уже не ведёт себя как сплошная жидкость: каждая молекула на счету. Но как именно заполняется такая щель — слоями или сразу целиком — до сих пор было неясно.

Пылевая лавина — это не просто сугроб, съехавший с горы. Это облако, которое несётся вниз по склону со скоростью автомобиля. Внутри него снег не лежит, а летит: тысячи мелких частиц подхвачены вихрями воздуха. До сих пор никто не видел, что именно происходит с каждой снежинкой в этом хаосе. Теперь у учёных появилась первая съёмка.

Вода — единственная распространённая жидкость, которая при остывании не сразу сжимается. Лёд тает, и вода становится плотнее, но только до 4 градусов Цельсия. Дальше, при дальнейшем охлаждении, она снова расширяется. Этот каприз объясняет, почему рыбы выживают в замерзающих прудах: самая плотная вода опускается на дно, а сверху остаётся более лёгкий холодный слой, который превращается в лёд.

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.

Капля воды с крошечными частицами высыхает на столе. Вода уходит, а частицы остаются и выстраиваются в узор — как песок после отлива. Но если частицы мягкие, узор получается совсем другим. Исследователи изучили этот процесс под микроскопом, меняя только одно свойство частиц: их упругость.

Охлаждённый слоистый кристалл напоминает стопку тонких листов, между которыми гуляют электроны. При температуре около 17 К в нём появляются крошечные области, где электроны выстраиваются в волну — как рябь на поверхности воды, застывшая на месте. Эти области называют зарядовыми лужицами, и раньше считалось, что они неподвижны.

Глубоко под нами, на глубине сотен километров, есть слой, который умеет впитывать воду, как губка. Минералы там — вадслеит и рингвудит — могут удерживать внутри своей кристаллической решётки до 1–2% воды по весу. Это значит, что в переходной зоне мантии (между 410 и 660 км) потенциально спрятано больше воды, чем во всех океанах на поверхности.

Жидкий гелий, охлаждённый почти до абсолютного нуля, ведёт себя как две жидкости сразу: обычная вязкая часть и сверхтекучая, которая течёт без трения. Когда такой поток наталкивается на цилиндр, позади него рождаются вихри. Но иногда вихри появляются и перед цилиндром — там, где по классическим законам их быть не должно.

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.

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.

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.

В семействе вольфрамовых бронз один материал считался тихоней. При охлаждении его собратья перестраивают свои электроны в волнообразный узор, а он — нет. Так думали до недавнего времени. Теперь выяснилось: перестройка есть и у него. При температуре 290 К — чуть ниже комнатной — в моноклинном соединении (одна из форм кристалла) возникает волна зарядовой плотности.

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 самом сердце молекулярного облака, где температура падает до 10–20 кельвинов, а плотность газа достигает миллиона частиц на кубический сантиметр, царит ледяная тень. Там, вдали от света звёзд, на поверхности пылинок намерзает вода, углекислый газ и другие молекулы.