Жидкость, застывающая при нагревании

Французские физики открыли новое явление, которое, на первый взгляд, противоречит основам физики. Смесь из двух органических жидкостей при нагревании от 45° до 75°C затвердевает, а при последующем остывании вновь становится жидкой.

Обычно при нагревании твердые вещества расплавляются, а жидкости превращаются в газ, хотя в некоторых случаях можно наблюдать и образование твердых веществ – например, при образовании полимеров. Но обратимого перехода при снижении температуры еще никому не удавалось наблюдать. Мари Плазане и ее коллеги из Университета им. Ж. Фурье и Института им. Лауэ и Ланжевена в Гренобле использовали раствор, содержащий альфа-циклодекстрин, воду и 4-метилпиридин. Циклодекстрины – это циклические структуры, содержащие концевые гидроксильные группы, способные образовывать водородные связи как с 4-метилпиридином, так и молекулами воды. При комнатной температуре в одном литре 4-метилпиридина можно растворить до 300 грамм альфа-циклодекстрина, при этом раствор остается прозрачным и жидким. При нагревании он теряет прозрачность, приобретает молочно-белый цвет и становится твердым.

Температура затвердевания понижается по мере роста концентрации альфа-циклодекстрина. Применение метода рассеяния нейтронов показало, что образованное твердое вещество является системой типа «золь-гель», в которой водородные связи между альфа-циклодекстрином и 4-метилпиридином ответственны за формирование упорядоченной структуры, характерной для твердого вещества. При снижении температуры водородные связи ослабевают и перегруппируются, связывая между собой уже только молекулы воды и альфа-циклодекстрина, что и приводит к разрушению твердой структуры и к образованию бесцветного раствора.

Компьютерное моделирование молекулярной динамики подтвердило возможность искажения циклодекстринового кольца при нагревании до температуры, близкой к точке затвердевания, а также и образования водородных связей между различными компонентами смеси. Ученым удалось найти и другие комбинации циклодекстринов и пиридинов, которые твердеют при нагревании. Наблюдаемое формирование твердых веществ при нагревании, хотя и выглядит внешне сенсационным, на самом деле не противоречит основам физической химии, просто это открытие еще раз показало, что давно известные ученым факты могут приводить к предсказанным, но до сих пор не обнаруженным явлениям. Изучение систем типа «золь-гель» будет способствовать пониманию механизмов отверждения жидкостей.

Работа французских ученых опубликована в последнем номере Journal of Chemical Physics.