Под пригородом Гамбурга в Германии находится подземный ускоритель частиц, в котором электроны разгоняются почти до скорости света, проносясь через систему магнитов. При этом они испускают излучение, создающее один из самых мощных рентгеновских лазерных лучей в мире. Этот уникальный инструмент — Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) — помогает специалистам снимать «фильмы» о химических реакциях и картировать атомные структуры вирусов. Теперь же ученые решили использовать его для раскрытия тайны процесса, который озадачивает научный мир на протяжении уже полутора веков: как именно замерзают вода и другие жидкости.
Понимание механизма замерзания важно далеко за пределами чистой физики. В верхней тропосфере, при температурах ниже −40 °C, вода в облаках, так как она не содержит примесей, часто замерзает через однородное зародышеобразование. Там формируются перистые облака из микроскопических кристаллов льда, которые задерживают и перенаправляют тепловое излучение Земли, оказывая заметный разогревающий эффект. Недостаточное понимание процессов образования таких кристаллов прямо влияет на точность климатических моделей.
Похожая проблема существует и в геофизике: считается, что твердое железное ядро Земли выросло через однородное кристаллизационное зародышеобразование из жидкого внешнего ядра, но упрощенные расчеты отводят на этот процесс сроки, превышающие возраст планеты. В металлургии отсутствие полного понимания процессов кристаллизации затрудняет прогноз структуры и свойств сплавов при затвердевании.
«Эксперименты очень сложные, — объясняет физик-теоретик из Университета итальянской Швейцарии Микеле Парринелло. — И теория сложная, и компьютерное моделирование тоже». Даже самые крошечные ошибки в моделировании или экспериментах могут привести к огромным изменениям в результатах.
Современные теории замерзания восходят к работам физиков Даниэля Фаренгейта, изучавшего этот вопрос в начале XVIII века и Джозайи Уилларда Гиббса, проводившего свои изыскания столетием позже. Гиббс использовал статистическую механику для описания замерзания чистой жидкости — той, что не содержит примесей. Согласно классической теории зародышеобразования, выросшей из работ Гиббса, все решает «гомогенная нуклеация» — чрезвычайно чувствительный к условиям процесс: случайный «зародыш» кристалла достигает критического размера и дальше уже растет очень быстро. Но на практике расчеты и эксперименты часто расходятся катастрофически — предсказанные скорости образования кристаллов могут отличаться от измеренных на 20–25 порядков.
«Маленькая капля воды даже при −20 °C не замерзнет миллиарды лет, — говорит физик из Центра исследований тяжелых ионов в Дармштадте Роберт Гризенти, — но охладите ее еще на 15 градусов, и она замерзнет за долю секунды».
Чтобы приблизить теорию к эксперименту, ученые сосредоточились на более простых жидкостях — сжиженных благородных газах, в частности, на криптоне и аргоне. Гризенти с коллегами использовали XFEL для изучения их замерзания, создавая высокоскоростные струи жидкости и анализируя дифракционные картины рентгеновских лучей. Новые эксперименты показали, что расхождение с теорией сократилось примерно в 100 раз.
Эксперименты также выявили, что беспорядок в атомных конфигурациях играет большую роль в замерзании, чем предполагалось. Сейчас физики пытаются вытащить еще больше информации из данных XFEL, подключая методы машинного обучения. В ближайшие месяцы ученые планируют «прогнать» через такие модели реальные данные по воде и другим жидкостям. Авторы работы надеются, что это поможет наконец связать воедино теорию и эксперимент и приблизиться к ответу на старый вопрос: что именно происходит в первые миллионные доли секунды, когда жидкость превращается в кристалл.
Ранее ученые изучили динамику замерзания соленой воды.
