Ученые выяснили, как можно расплавить лед при температуре гораздо ниже точки замерзания

Представьте, что вы находитесь в холодильнике. Как вы туда попали – не суть важно. Просто представьте, что вы в холодильнике. Рядом с вами лежит кубик льда. «Твердая форма воды, — думаете вы, — ничего необычного». И тут, неожиданно, прямо на ваших глазах этот лед начинает таять. «Кто-то повысил температуру, — предполагаете вы». Но нет. Градусник внутри холодильника показывает минусовую температуру. Те законы физики, которые вы помните со средней школы, говорят вам, что это невозможно. И тут вы начинаете медленно сходить с ума.

Ну а теперь шутки в сторону. Аналогичная ситуация, описанная выше? была воссоздана в лабораторных условиях. Охлаждать жидкости ниже точки их замерзания, но при этом поддерживать их в жидком состоянии относительно очень просто. Однако в рамках нового эксперимента ученые доказали, что существует вполне реальная возможность превращать находящуюся в рамках температуры замерзания твердую форму вещества обратно в жидкую – как тот кубик льда в холодильнике, о котором было сказано выше. Это первый случай, когда в лабораторных условиях твердую форму вещества перевели в жидкое состояние, несмотря на наличие среды для поддержания твердого состояния. Подобные эксперименты помогут нам лучше понять фундаментальные процессы, отвечающие за то, когда и как вещество принимает жидкую или твердую форму.

«Мы практически постоянно становимся свидетелями фазовых переходов веществ», — говорит автор исследования Гоинь Шень из Института науки Карнеги.

«Однако о самом процессе нам на самом деле известно удивительно мало».

Из школьного курса мы помним, что точка плавления (или температура плавления) представляет собой комбинацию температуры и давления? при которой твердая форма объекта переходит в жидкую. Для льда, например, этой точкой замерзания является 0 градусов Цельсия при обычном атмосферном давлении. Однако некоторые материалы можно заставить плавиться не только путем повышения температуры, но просто обычным понижением давления.

Именно это и сделали ученые в своем эксперименте с висмутом. Висмут, напомним, является редкоземельным металлом, часто использующимся в обрабатывающей промышленности и в некоторых других сферах, в том числе научных. Следует отметить, что одним из самых интересных свойств этого металла является то, что его плотность в виде твердого состояния заметно ниже, чем плотность его жидкой формы. Это делает его очень похожим на воду, которая тоже обладает подобными аномальными свойствами.

Возвращаясь к эксперименту, Шень и его коллеги сжимали висмут в алмазных тисках до давления, превышающего атмосферное в 30 тысяч раз, а затем снижали давление до 12 тысяч атмосфер. Висмут при этом был нагрет до 215 градусов Цельсия (что почти на 60 градусов ниже его точки плавления в обычных условиях). Как показал эксперимент, такое воздействие превращает висмут в сверхохлажденную жидкость в тот момент, когда давление падает до точки в 24 тысячи атмосфер. О своем исследовании ученые поделились на страницах журнала Nature Communications.

«В таком состоянии висмут может находиться на протяжении многих часов или даже дней, пока его не нагреют или не охладят», — говорит Шень.

«Ранее в лабораторных экспериментах ученые никогда не переводили твердые состояния веществ в жидкое при температуре их замерзания, что делает это исследование важным сразу по нескольким фундаментальным причинам», — объясняет Шень.

Далее ученые хотят провести аналогичные эксперименты с другими материалами. Возможность перевода таким образом твердой формы веществ в жидкую может в конечном итоге открыть дверь к материалам, которые приобретают свою кристаллическую форму совершенно невиданными ранее образами.

Кроме того, такой подход интересен не только с точки зрения науки. Он может быть полезен для решения ряда практических задач, например, для транспортировки расплавленных форм материалов, которые обычно представлены твердой формой, а не жидкой.