Experimental observation of the liquid-liquid transition in bulk supercooled water under pressure

Kyung Hwan Kim*, Katrin Amann-Winkel*, Nicolas Giovambattista, Alexander Späh, Fivos Perakis, Harshad Pathak, Marjorie Ladd Parada, Cheolhee Yang, Daniel Mariedahl, Tobias Eklund, Thomas. J. Lane, Seonju You, Sangmin Jeong, Matthew Weston, Jae Hyuk Lee, Intae Eom, Minseok Kim, Jaeku Park, Sae Hwan Chun, Peter H. Poole, Anders Nilsson

 

우리는 고밀도 비정질 얼음(HDA)을 적외선 펨토초 레이저를 이용하여 매우 빠르게 가열하는 방법으로 약 205 K (약 영하 70도)까지도 얼지 않은 상태의 고압 과냉각 액체 상 물 샘플을 준비했다. 샘플 밀도는 초고속 가열이 일어나는 동안 유지되기 때문에, 고밀도 액체상 물이 2.5~3.5 kbar 정도의 초기 내부 압력을 가질 것을 추정할 수 있다. 가열 후 샘플은 급속히 팽창하게 되고, 우리는 이러한 감압 과정을 다양한 시간대에서 펨토초 X선 레이저 펄스를 이용해 관찰했다. 실험 결과 저밀도 액체 (가벼운 물, LDL)가 20 나노초에서 3 마이크로초 사이의 시간대 동안 불연속적인 구조 변화를 통해 생성되고 성장한 뒤, 3~50 마이크로초 시간대에 결정화가 일어나는 것을 알 수 있었다. 액체상 물의 발생과 결정화가 일어나는 시간대가 10배 이상 차이가 나므로, 우리 실험결과는 과냉각된 물의 액체-액체 전이를 직접 관찰한 것이다.

 

We prepared bulk samples of supercooled liquid water under pressure by isochoric heating of high-density amorphous ice to temperatures of 205 ± 10 kelvin, using an infrared femtosecond laser. Because the sample density is preserved during the ultrafast heating, we could estimate an initial internal pressure of 2.5 to 3.5 kilobar in the high-density liquid phase. After heating, the sample expanded rapidly, and we captured the resulting decompression process with femtosecond x-ray laser pulses at different pump-probe delay times. A discontinuous structural change occurred in which low-density liquid domains appeared and grew on time scales between 20 nanoseconds to 3 microseconds, whereas crystallization occurs on time scales of 3 to 50 microseconds. The dynamics of the two processes being separated by more than one order of magnitude provides support for a liquid-liquid transition in bulk supercooled water.

 

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/978