Мэттью Шигасис (Matthew Szydagis), профессор Университета штата Нью-Йорк в Олбани, просмотрел несколько видео, демонстрировавших людей, переохлаждающих воду в бутылке, и затем наносящих по ней легкий удар, в результате чего вода мгновенно замерзает.
Когда Шигасис увидел такой же процесс в диснеевском фильме "Frozen", это укрепило его желание исследовать свойства переохлажденной воды.
Что такое переохлаждение?
Процесс переохлаждения Шигасис описывает следующим образом. Если чистая вода, содержащая незначительное количество таких загрязнений, как частицы пыли, помещается в достаточно гладкий контейнер, то ее можно охладить до температуры ниже точки замерзания (0 градусов по Цельсию), и при этом она не превратится в лед. Этот процесс переохлаждения напоминает то, как воду можно перегреть в микроволновой печи, говорит Шигасис. Воду можно нагреть до температуры выше точки кипения, без фактического ее закипания. Переохлаждение – это обратный по отношению к перегреву процесс.
Когда вода перегрета или переохлаждена, она находится в так называемом "метастабильном" состоянии, которое не является, ни стабильным, ни нестабильным, говорит Шигасис.
Он поясняет, что любое возмущение переохлажденной воды может вызвать ее фазовый переход – замерзание и кристаллизацию. Фактически, переохлаждение не является обычным замораживанием, поскольку оно образует снег, а не чистый лед.
Новое свойство переохлажденной воды
В проведенном исследовании ученые охлаждали в лабораторных условиях воду до температуры в -20 градусов Цельсия, без ее замерзания. Шигасис поясняет, что этот процесс не похож на замерзание воды в точке застывания, который происходит при посыпании тротуаров солью, поскольку в данном исследовании использовалась чистая вода без загрязнений.
Исследователи продемонстрировали, что определенные частицы, попадая в предварительно переохлажденную воду, могут вызвать ее замерзание на субатомном уровне. Другие частицы, такие как нейтроны, могут многократно рассеиваться внутри воды.
Ученые смогли показать, что этот процесс переохлаждения возможен не только с использованием коммерчески доступных источников частиц, но даже с "радиоактивными" красными тарелками Fiestaware, выкрашенными краской на основе урана, и выпущенными почти 70 лет назад.
На базе использования переохлажденной воды Шигасис вместе со своей группой создал новый детектор, названный ими "снежковой камерой". Этот детектор хорошо сочетается с "облачной" и "пузырьковой" камерами, технологиями обнаружения элементарных частиц, созданных в середине 20-го века, и использующих конденсацию и кипение. Хотя переохлажденная вода не является новым явлением, Шигасису и его группе удалось определить, что некоторые частицы, такие как нейтроны фактически вызывают замерзание. В результате ученые смогли создать новый детектор для обнаружения элементарных частиц.
Применения детектора переохлажденной воды
Шигасис также пояснил, что на его исследование переохлажденной воды оказали влияние продолжающиеся поиски темной материи – формы материи, которую можно обнаружить только неявно, через ее гравитационные эффекты. Темная материя образует значительную долю вселенной. "Еще предстоит в лабораторных условиях открыть непосредственное, решающее и однозначное свидетельство существования темной материи", – сказал он. Благодаря исследованию переохлажденной воды, созданный учеными новый детектор может оказаться в состоянии обнаружить темную материю, поскольку предполагается, что нейтроны имитируют ее, добавил он.
Научные последствия нового исследования довольно обширны, так как его можно использовать для выявления ядерного оружия в перевозимых грузах, для понимания процесса формирования облаков, а также оно может дать ключ к пониманию процесса зимней спячки животных, во время которой их кровь переохлаждается.
