Vanduo peršaldytas iki rekordiškai žemos temperatūros

Fizikams pirmą kartą pavyko atšaldyti vandens lašelius iki −42,55 °C, o tai daugiau nei vienu laipsniu žemesnė temperatūra už ankstesnį rekordą. Šaldoma buvo vakuuminio sparčiojo garinimo metodu, o temperatūra nustatoma iš kombinuoto šviesos išsklaidymo duomenų, remiantis lašelių dydžiu, praneša mokslininkai Physical Review Letters.

Šaldant vandenį, jis gali likti skystas, nors jo temperatūra gerokai mažesnė už lydymosi temperatūrą (tai yra, nulį Celsijaus laipsnių). Toks vanduo vadinamas peršaldytu ir norint jį gauti, reikia pasistengti, kad nebūtų kristalizacijos centrų. Peršaldyti vandenį daugiau nei keliais laipsniais gan sudėtinga, tad visi tokių bandymų pasiekti žemiausią skysto vandens temperatūrą rekordai pasiekti, naudojant itin švarius mikrolašelius, kurie nesiliečia su jokiu kietu paviršiumi.

Iki šiol žemiausia temperatūra, kurioje vandens mikrolašelių skysta būsena patikimai nustatyta, buvo −41 °C (verta paminėti, kad iki −39 °C peršaldyti vandens lašeliai randami ir gamtoje, viršutiniuose atmosferos sluoksniuose). Remiantis teorine analizė ir kompiuteriniu modeliavimu, minimali temperatūra, kurioje vanduo gali būti metastabilios skystos būsenos, yra maždaug −45 °C. Dar žemesnėje temperatūroje peršaldyta būsena yra jau nebestabili.

Robert E. Grisenti iš Gėtės vardo Frankfurto universiteto vadovaujamas fizikų iš Vokietijos, Prancūzijos, Ispanijos ir Italijos kolektyvas pasiūlė mikrolašelių peršaldymui naudoti sparčiojo garinimo vakuume metodą. Pagrindinis tokio metodo trūkumas – sunku tiksliai išmatuoti temperatūrą. Šią problemą darbo autoriai pasiūlė išspręsti kombinuoto šviesos išsklaidymo (Ramano išsklaidymo) metodu. Išmatavus Ramano dažnio piko poslinkį, galima labai tiksliai nustatyti lašelių dydžio pasiskirstymą sraute, o remiantis juo, paskaičiuoti masės sumažėjimą dėl garavimo, o iš to — lašelio temperatūrą. Mokslininkų vertinimu, tokio metodo tikslumas yra &plusmin;0,5 °C.

Tokiu būdu mokslininkams pavyko atšaldyti lašelius, kurių pradinis dydis buvo ~6,3 µm, iki −42,55 °C temperatūros, o tai, netgi atsižvelgiant į gan didelę paklaidą, daugiau nei vienu laipsniu žemesnė temperatūra, nei ankstesnis rekordas, nustatytas patikimu matavimo metodu. Darbo autoriai pažymi, kad viename iš darbų jau rašė apie netgi didesnių lašelių peršaldymą iki tokios temperatūros,, tačiau veikiausiai, ankstesnio tyrimo autoriai neatsižvelgė į lašelių įkaitimą dėl šviesos poveikio. Šiame darbe pasiūlyto matavimo metodo patikimumą dar reikės patikrinti.

Mokslininkai praneša, kad pasiūlytu metodu iki gan žemos temperatūros galima atšaldyti ir stambesnius lašelius. Be to, kombinacinio šviesos išsklaidymo metodu tuo pat metu galima stebėti ne tik lašelių dydį, bet ir deguonies bei vandenilio ryšio būseną molekulėje ir vandenilinius ryšius tarp molekulių. Remdamiesi gautais duomenimis, mokslininkai tikisi ateityje gauti informaciją apie vandenilinių ryšių struktūros pasikeitimus vandenyje, peršaldytame iki kritiškai žemų temperatūrų. Tyrimo autorių žodžiais tariant, darbo rezultatai padės detaliau ištirti procesus vykstančius, kristalizuojantis ledui atmosferoje ir sukurti patikimesnius klimato modelius.

Kadangi ledo iš peršaldyto vandens kristalizuojasi labai dideliu greičiu, tokį procesą tyrinėti eksperimentiškai ganėtinai sudėtinga. Norėdami stebėti kristalizacijos frontą, mokslininkai trumpais lazerio impulsais apšvietė pusiau sunkų vandenį. Tokiu metodu JAV fizikai aprašė ledo kristalizaciją iš vandens, peršaldyto iki nuo −90 °C iki −10 °C ir parodė, kad kristalų augimo greitis skirtingose temperatūrose gali skirtis 100 milijardų kartų (11 skaičiaus dydžio eilių).

A. Dubov

nplus1.ru