Американские ученые разработали простой способ, который позволяет переохлаждать воду и водные растворы объемом до 100 миллилитров и поддерживать это состояние в течение длительного времени. Для этого физики предложили просто покрывать поверхность воды дополнительным слоем масла, алканов или многоатомных спиртов. Таким способом можно в течение 100 суток удерживать переохлажденное состояние с температурой до −20 градусов Цельсия не только воду или водные растворы солей, но и, например, суспензии эритроцитов без потери их свойств, пишут ученые в Nature Communications.

Известно, что при определенных условиях воду (как и другие жидкости) можно удерживать в жидком состоянии даже ниже температуры плавления. Такое переохлажденное состояние можно получить в неравновесных условиях при отсутствии центров возможной кристаллизации. Сейчас температурный рекорд для переохлажденных водных капель составляет −42,55 градуса Цельсия, однако достичь таких значений можно только с помощью специальных методов (например быстрого вакуумного испарения), которые позволяют удерживать нужное состояние только в совсем маленьких каплях и очень короткое время. Тем не менее, для использования переохлажденных водных растворов в физических и биологических экспериментах, а также для медицинских целей, требуются значительно бóльшие объемы переохлажденных водных растворов с температурой ниже −10 градусов Цельсия, тем не менее на сегодняшний день методов для такого их получения предложено не было.

Американские физики из Гарвардской медицинской школы под руководством Османа Берка Усты (Osman Berk Usta) обнаружили, что получить переохлажденную воду нужного объема и с нужной температурой можно с помощью очень простого способа. Для этого ученые предложили просто «закупоривать» охлаждаемую жидкость, закрывая ее поверхность дополнительным слоем масла. В результате вода лишается общей границы с воздухом — основного источника центров нуклеации при относительно небольших отрицательных температурах.

В эксперименте авторы помещали переохлаждаемую жидкость в пробирку из полистирола, а сверху покрывали ее одним из нескольких видов масла природного происхождения: оливковым маслом, различными фракциями нефтяных масел или маслом мускатного ореха. Ученые отмечают, что каждое из масел позволило значительно увеличить время жизни переохлажденного состояния (вне зависимости от концентрации растворенного в воде воздуха). При этом наиболее эффективными оказались легкая и тяжелая фракции нефтяных масел.

Доля замерзших образцов при использовании различных типов масел для «закупоривания» воды или вообще без слоя масла (красные символы). Haishui Huang et al./ Nature Communications, 2018

Дополнительные эксперименты подтвердили, что именно межфазная граница вода-воздух или вода-масло становится основным источником центров нуклеации и определяет точку начала кристаллизации. При этом возможная степень переохлаждения и время жизни нужного состояния зависит от состава масла — длины углеводородных цепочек, их геометрии и степени упорядоченности на межфазной границе. Ученые отмечают, что увеличения степени контроля лучше использовать не масла природного происхождения, а алканы или многоатомные первичные спирты.

В результате с помощью предложенной методики ученым удалось переохладить водные растворы объемом более 100 миллилитров на −20 градусов Цельсия, и удерживать их в виде жидкости более 100 суток. При этом переохлажденное состояние, полученное таким образом, оказалось устойчивым к вибрациям и небольшим температурным флуктуациям.

Поскольку использовать переохлаждение ученые предлагают для медицинских исследований (в частности для хранения тканей и органов), работоспособность этого подхода ученые также проверили на водных суспензиях эритроцитов. Оказалось, что полученный метод действительно позволяет хранить красные кровяные клетки в течение 100 дней при температуре до −16 градусов Цельсия без потери их свойств (современный стандарт для хранения эритроцитов при 4 градусах Цельсия составляет 42 дня).

Сохранение образцов клеток при различных температурах (слева направо: 4, −7, −10, −13, −16 градусов Цельсия) после хранения в течение 100 суток традиционным способом (сверху) и предложенным в данной работе (снизу). Haishui Huang et al./ Nature Communications, 2018

По словам ученых, основной способ использования разработанного метода — именно длительное хранение клеток, тканей и органов при низких температурах. Также этот подход можно использовать, например, чтобы в течение продолжительного времени хранить продукты питания, не давая им испортиться.

Вода — далеко не единственная жидкость, переохлажденное состояние которой предлагают использовать для практических целей. Например, переохлажденные жидкие металлы ученые применяют при разработке современных электронных устройств, которые затвердевают при деформации. Быстрое переохлаждение расплавов используется и при получении стекол, и именно параметры этого процесса во многом определяют их механические свойства.

Автор: Александр Дубов