Сверхкритическая вода ведёт себя как газ: учёные опровергли миф о её структуре

19.03.2025 19:18:00 | iXBT.com

Исследователи из Рурского университета в Бохуме (Германия) определили структурные особенности сверхкритической воды — агрегатного состояния, возникающего при температурах выше 374°C и давлении свыше 221 бар. Это состояние, характерное для гидротермальных источников на океаническом дне, сочетает свойства жидкости и газа. Результаты работы опровергают теорию о существовании в такой воде стабильных молекулярных кластеров, связанных водородными связями.

Для изучения сверхкритической воды учёные объединили два метода: терагерцевую спектроскопию, которая анализирует взаимодействие между молекулами, и молекулярно-динамическое моделирование, основанное на квантово-механических расчётах. Экспериментальная группа разработала специальную установку, способную выдерживать экстремальные параметры — давление до 400 бар и температуру выше 400°C.

Иллюстрация: нейросеть Dall-e

В ходе экспериментов спектры сверхкритической воды оказались практически идентичными спектрам водяного пара. Это указывает на отсутствие устойчивых водородных связей, характерных для жидкости. «Если бы кластеры существовали, то их можно было бы обнаружить по сдвигу в спектрах. Однако данные подтвердили, что молекулы ведут себя как в газообразном состоянии», — отметил соавтор работы Герхард Швааб.

Теоретическая часть исследования подтвердила выводы. Расчёты показали, что в сверхкритической воде молекулы сближаются лишь на 0,01 пикосекунды — в 100 раз быстрее, чем в жидкости. При этом водородные связи не имеют фиксированной ориентации, что исключает образование стабильных структур. «Даже временные взаимодействия разрываются почти мгновенно, а новые связи формируются случайным образом», — подчеркнул соавтор Филипп Шинбайн.

Полученные результаты важны как для фундаментальной науки, так и для прикладных задач. Сверхкритическая вода используется в «зелёной» химии как экологичная альтернатива токсичным растворителям, а также играет ключевую роль в процессах у подводных гидротермальных источников. Понимание её структуры позволит оптимизировать химические реакции, применяемые в переработке отходов и синтезе материалов.

Подробнее