Ученые Бристольского университета в Великобритании и Токийского университета в Японии объяснили аномальные свойства воды, которые она проявляет при охлаждении и замерзании. Для этого исследователи с помощью компьютерного моделирования внесли изменения в структуру молекулы H2O, наделив ее новыми особенностями. Об этом сообщает издание Science Alert.
Обычно жидкости при уменьшении их температуры становятся более плотными, однако вода достигает максимальной плотности при четырех градусах Цельсия. Ниже этой точки плотность вновь уменьшается, в результате чего лед плавает на поверхности водоемов. Кроме того, вода обладает высоким поверхностным натяжением, уступая жидкой форме ртути, высокой температурой кипения и является хорошим растворителем.
Такие физические особенности объясняются наличием водородных связей, которые образуются между молекулами воды. Последние соединяются друг с другом и формируют тетраэдр (треугольную пирамиду).
Ученые использовали суперкомпьютер для создания различных моделей молекулярной структуры воды. Для этого они варьировали параметр λ, называемый потенциалом Стиллингера-Вебера, который применяется для описания физических свойств веществ с тетраэдрическим расположением молекул. Исследователи проследили, как изменения потенциала влияли на плотность вещества и число химических связей между атомами (модель двух состояний). Это позволило вычислить, при каких значениях λ проявляются аномальные свойства воды.
Оказалось, что при усилении потенциала Стиллингера-Вебера аномальные свойства воды, связанные с плотностью, становятся слабее. В результате максимальная плотность сдвигается в сторону фазового перехода жидкость-лед, и твердая форма воды теряет плавучесть. При уменьшении λ свойства, предсказываемые моделью двух состояний, также ослабляются.