Ученые впервые увидели, как вода превращается в «стекло»

Ученые впервые напрямую увидели, как вода превращается не в лед, а в стеклоподобное аморфное твердое тело — с «беспорядочной» молекулярной структурой вместо упорядоченных кристаллов. Такое превращение происходит в неожиданно широком диапазоне температур.

Работа опубликована в журнале Nature Communications (NatCom).

Исследование провела группа под руководством Раффаэле Медзенги из Швейцарской высшей технической школы Цюриха совместно с Австралийской организацией ядерной науки и технологий. Чтобы не дать воде кристаллизоваться, ученые зажали ее в виде слоев толщиной в нанометры между молекулами фитантриола — жирного спирта, который сохраняет стабильность при низких температурах.

В таком «зажатом» состоянии вода не смогла образовать лед. С помощью рассеяния рентгеновских лучей и нейтронной спектроскопии ученые проследили, как при охлаждении молекулярное движение постепенно замедляется — в диапазоне примерно от минус 63 до минус 20 градусов, — а само превращение в стекло происходит между минус 74 и минус 64 градусами.

Аморфный лед — не экзотика: считается, что именно в таком виде вода существует в кометах и межзвездном пространстве. Но проследить сам переход в лаборатории удавалось редко. Понимание того, как вода застывает без образования разрушительных кристаллов, важно для практики: это может улучшить методы криоконсервации биологических тканей и клеток, а также технологии заморозки продуктов, при которой кристаллы льда портят структуру.

Неожиданным оказалось то, что превращение растянуто по температуре, а не происходит скачком в одной точке. Это меняет представления о поведении переохлажденной воды и может объяснить, почему в природе она порой застывает столь необычным образом. Понимание этих процессов важно и для фармацевтики, где многие препараты и вакцины нужно замораживать без потери свойств.