Вода може існувати тільки в трьох станах: твердому, рідкому та газоподібному, вірно? Ні, не так! Вона може існувати в інших станах і формах, включаючи ті, про які ви, можливо, не чули. Ви повірили б, що вода може бути гарячим льодом або навіть порошком? Так, порошкоподібна вода – це реальність. Ви можете подумати: Як таке взагалі можливо? Це залежить від багатьох факторів. Найчастіше основний вплив на форму води надають температура та тиск. В інших випадках дивні речі трапляються, коли вода з’єднується з якоюсь іншою речовиною.
10. Лід-VII
Лід холодний. Але тільки не лід-VII (він же гарячий лід), який насправді є гарячим. Звичайний лід, який є у нас тут, на Землі, вчені називають «лід Ih». Маленька “h” у назві означає “шестикутник”, оскільки коли вода замерзає при нормальному тиску, атоми кисню вишиковуються в шестикутну форму. Однак лід Ih стає льодом II, коли з’являється більший тиск. Лід-II стає льодом-III, коли прикладається ще більший тиск, і так продовжується далі, поки лід стане льодом-VII, де атоми кисню розташовуються у формі куба.
Лід-VII гарячий, тому що він утворюється тільки за високої температури і тиску. На Землі він теоретично може існувати лише глибоко у мантії, де тиск досить високий, щоб стиснути звичайну воду у лід-VII. Однак він не може формуватися в мантії, тому що висока температура перетворить воду на пару, перш ніж тиск зможе перетворити її на лід. Вчені змогли створити лід-VII у лабораторії. Вони також виявили його в алмазах, сформованих глибоко усередині мантії Землі. Лід сформувався з крапель води, що потрапили в пастку в алмазах у той час, коли вони формувалися в мантії.
9. Суха вода
Суха вода утворюється, якщо змішати природну воду з оксидом кремнію (за допомогою спеціального апарату). Така вода виглядає та веде себе як тверде тіло, навіть якщо це на 95 відсотків вода. Вона являє собою порошок із схожих на цукор зерен, які насправді є звичайними краплями води, покритими оксидом кремнію. Оксид кремнію запобігає з’єднанню крапель води та перетворення її на рідину.
Вперше суху воду розробили у 1968 році та на той час використовували у косметиці. Незабаром про неї забули, поки дослідники з Університету Халла (University of Hull), Великобританія, не винайшли її знову в 2006 році. Вчені вважають, що суху воду можна використовувати для поглинання вуглекислого газу з атмосфери. Це може спрацювати з огляду на те, що суха вода поглинає втричі більше вуглекислого газу, ніж звичайна вода. Вчені також розглядають можливість використання її для зберігання та транспортування шкідливих хімічних речовин.
8. Надкритична вода
Речовина входить у надкритичний стан, коли температура і тиск настільки високі, що немає різниці між його рідким та газоподібним станами. З водою таке трапляється, коли вона переходить із газоподібного стану. Вода переходить у такі стани: твердий, рідкий, газоподібний і надкритичний. В останньому стані вода є дивною парою, яка насправді не є газом.
Вода досягає свого надкритичного стану при 373 градусах Цельсія та тиску 220 Бар. У цьому стані її не можна стиснути назад у рідину. Надкритична вода (як інші надкритичні рідини) може проходити крізь тверде тіло, як газ, але розчиняти інші речовини як рідина.
7. Гідроплазма
Gliese 1214 b – дивна планета. Він у шість разів більший за Землю і заповнений водою, в тому числі і гідроплазмою. Тобто водою у формі плазми. Матерія у такому стані трохи схожа на газ. У неї низька щільність і немає певної форми чи об’єму – так само, як у газу. Проте, на відміну газу, у разі атоми матерії позбавляються своїх електронів, і позитивно заряджені ядра вільно переміщуються. Ось чому деякі вчені вважають плазму електрично зарядженою версією газу.
Але повернемося до Gliese 1214b. Планета знаходиться так близько до своєї зірки, що рік на ній триває лише 38 годин. Для порівняння, Земля знаходиться у 70 разів далі від нашого Сонця. Денна температура на Gliese 1214 b може досягати 282 градусів за Цельсієм, що занадто спекотно для майже будь-якої форми життя. Близькість Gliese 1214 b до її зірки є причиною того, що вода може існувати у вигляді плазми. Дуже висока температура зірки і високий тиск планети змушують воду нагріватись і стискатися настільки, що вона перетворюється на плазму. Гідроплазма вважається однією з форм надкритичної води, яку ми згадували раніше.
6. Потрійна точка води
Потрійна точка речовини – це умови, за яких твердий, рідкий та газоподібний стан речовини можуть існувати в термодинамічній рівновазі. Це може статися лише тоді, коли речовина досягає певної температури та тиску. Для води такі температура та тиск становлять 0,01°C та 611,66 Паскаля (273,16 градусів Кельвіна).
Потрійна точка води використовується для визначення температури в градусах Кельвіна, калібрування термометрів і встановлення потрійної точки інших речовин. Вода у своїй потрійній точці може бути перетворена на тверду речовину, рідину або газ, простим регулюванням тиску та температури.
5. Суперіонний лід
Суперіонний лід, або лід-XVIII є ще однією формою льоду, що утворюється при сильному підвищенні температури і тиску. Він гарячий, чорний, щільний, і поводиться як метал. Твердий кубик льоду-XVIII у чотири рази важчий за аналогічний твердий кубик звичайного льоду. Деякі вчені вважають, що лід-XVIII може бути найбільш поширеною формою води у Всесвіті, що існує на крижаних гігантах, таких як Уран та Нептун. Цікаво, що вчені підтвердили існування льоду-XVIII лише у 2019 році, хоча його це було передбачено ще у 1988 році. У тому ж році група вчених виявила, що вода може поводитися як метал, якщо температура та тиск стануть досить високими. Лід-XVIII утворюється лише тоді, коли температура становить тисячі градусів, а тиск – мільйони атмосфер.
Вчені підтвердили існування льоду-XVIII в ході експерименту, в якому вони використали потужні лазери для створення ударних хвиль, які швидко збільшували температуру та тиск крапель води. Вчені помітили, що молекули водню та кисню у воді миттєво розділилися і вода перетворилася на кристалічний лід. Молекули кисню утворили заморожені, тверді структури – кубічні грати, тоді як атоми водню текли навколо затверділого кисню як рідина. Деякі вчені кажуть, що цей так званий «лід» не можна вважати водою, тому що молекули водню та кисню розділені. Вони кажуть, що у воді молекули водню та кисню мають бути разом.
4. Аеролід
Аеролід – найлегший різновид льоду. Він був «виявлений» у 2017 році під час моделювання дослідниками з Університету Окаяма (Okayama University) з Японії, які проводили експеримент, щоб зрозуміти, як вода перетворюється на лід.
Дослідницька група створила цей лід, коли вони спробували з’ясувати, що відбувається, коли вода замерзає за відсутності тиску. Інші види льоду, про які ми згадували досі, були створені, коли вода зазнавала впливу високого тиску. У моделюванні тиск був негативним.
Вчені «створили» аеролід, вилучивши з діоксиду кремнію два атоми кисню, залишивши лише кремній. Потім вони замінили атом кремнію на атом кисню, а потім додали два атоми водню, щоб вийшов лід. Це відкриття може бути важливим для розуміння того, як поводиться вода в нанотрубках, нанопорах або інших місцях у космосі.
3. Аморфний лід
Аморфний лід створюється з рідкої води, що швидко охолоджується, коли молекули не встигають утворити кристалічну решітку. Не маючи впорядкованої кристалічної структури звичайного льоду, аморфний лід зазвичай вважають склом, це рідина, рух якої відбувається дуже повільно. Аморфний лід не є звичайним для Землі, але вважається найпоширенішою формою води у Всесвіті.
Дослідження 2017 року, коли в тому числі проводилося комп’ютерне моделювання аморфного льоду, мало на увазі, що скло може бути третім станом між кристалічним та рідким. Змодельована аморфна крига продемонструвала безладну гіперуніформність, в якій порядок простежується у великих масштабах, але відсутній на невеликих.
2. Палаючий лід
Гідрат метану – це свого роду лід, який справді може горіти – ви можете підпалити його, як аркуш паперу. Крига, про яку йдеться, містить метан. Він природним чином утворюється на певних глибинах океану, у вічній мерзлоті і навіть у нафті та газопроводах, де може викликати закупорку. Він був виявлений ще у 1930-х роках. Палаючий лід починає формуватися зі стисненого та замороженого метану. Заморожений метан незабаром покривається льодом, формуючи лід, що горить. Вчені вважають цей лід можливим претендентом на роль джерела палива, оскільки містить багато метану. З кубометра льоду, що горить, може вивільнятися 160 кубометрів метану. Це паливо чистіше, ніж вугілля.
На жаль, багато країн не можуть замінити вугілля льодом, що горить, тому що його важко видобувати під водою. Крім того, на поверхні він стає нестабільним. Вчені кажуть, що лід, що горить, може послужити погану службу і прискорити зміну клімату. Це може статися, коли гідрат метану з вічної мерзлоти розплавиться і випустить метан в атмосферу.
1. Квантова вода
У 2016 році вчені з Національної лабораторії Oak Ridge Міністерства енергетики США створили новий квантовий стан води. Це відкриття вони зробили, стискаючи молекули води між шестикутними кристалами берилію. Сильне стиснення збільшило тиск настільки, що атоми молекул води стали нерівними, і в цей момент вода перестала поводитись як того вимагають ряд фізичних законів. Молекули стали здатними проходити через бар’єри на атомному рівні – ця поведінка пояснюється квантовою механікою і називається “тунелюванням”.
Така поведінка можлива лише тоді, коли речовина знаходиться у квантовому стані. Вчені вважають, що вода часто переходить у нього, щоб текти через дуже вузькі простори у скелях, ґрунті і навіть у стінках живих клітин.