首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，揭示水的一種奇異性質(zhì)！新研究表明水有多種液態(tài)！

首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，揭示水的一種奇異性質(zhì)

1.

水（H?O）是我們所有人都熟悉的物質(zhì)，理解水的性質(zhì)和行為對(duì)我們有著重要意義。你或許會(huì)認(rèn)為，我們對(duì)于水這種物質(zhì)已經(jīng)足夠了解，因?yàn)樗鼉?chǔ)量豐富，覆蓋了71%的地球表面，且早已被廣泛用于研究之中。然而，事實(shí)卻并非如此。這種看起來(lái)簡(jiǎn)單的物質(zhì)，實(shí)則復(fù)雜得令人難以置信。

水有著許多難以捉摸的怪異性質(zhì)。在溫度極低的情況下（比如在外太空以及地球大氣層的遠(yuǎn)端），水的奇異特性會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。

一般情況下，水會(huì)在低于0℃的溫度下結(jié)冰，這都?xì)w結(jié)于水中通常含有灰塵或其他的可附著的固體類雜質(zhì)。但是對(duì)于純凈的水來(lái)說(shuō)，由于缺乏雜質(zhì)作為“晶化啟動(dòng)劑”，結(jié)冰反而變得更加艱難，它需要一種額外的強(qiáng)有力的推動(dòng)力，才能迫使分子變成結(jié)冰所需的特殊結(jié)構(gòu)。因此水可以在很低的溫度下仍然保持液態(tài)，這便是所謂的過(guò)冷現(xiàn)象。

一直以來(lái)，科學(xué)家都試圖能夠找到可以解釋水的過(guò)冷的正確理論，他們已經(jīng)提出了各種各樣的模型來(lái)對(duì)此加以解釋。但是要從眾多競(jìng)爭(zhēng)理論中找出最恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?，科學(xué)家們還缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

上世紀(jì)90年代，一組物理學(xué)家提出理論，認(rèn)為在高壓和低溫狀態(tài)下，過(guò)冷液態(tài)水會(huì)分成兩種密度不同的液體。換句話說(shuō)，這種理論認(rèn)為，溫度遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)的液態(tài)水是由兩種結(jié)構(gòu)不同的分子組成的，一種是高密度分子，另一種是低密度分子。

但是，由于過(guò)冷的水會(huì)迅速凍結(jié)成冰，因此這一現(xiàn)象難以在實(shí)驗(yàn)中被捕捉到。尤其是在-113℃到-38℃之間，這類實(shí)驗(yàn)尤其難以進(jìn)行，即使是完全純凈的液態(tài)水，在這一溫度區(qū)間也有著極快的結(jié)晶速度。這使得在這個(gè)溫度區(qū)間研究水的性質(zhì)非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@要求測(cè)量必須在水結(jié)成冰之前的一段極短時(shí)間內(nèi)完成。

現(xiàn)在，《科學(xué)》雜志上刊登了一項(xiàng)新的研究，介紹了一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在-138℃到-28℃的溫度范圍內(nèi)，對(duì)液態(tài)水進(jìn)行了一系列測(cè)量。他們使用了一種有點(diǎn)像“定格攝影”的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)對(duì)過(guò)冷液態(tài)水拍攝“快照”。實(shí)驗(yàn)中，他們用激光對(duì)一層水薄膜進(jìn)行加熱，然后迅速讓其從-28℃冷卻到-83℃，在幾納秒的時(shí)間之內(nèi)就形成過(guò)冷的液態(tài)水。他們用紅外光照射薄膜來(lái)觀察其中的水分子，分析這些水分子是如何相互推擠的。

利用這種方法所收集到的數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)，過(guò)冷水在極度低溫下不僅相對(duì)穩(wěn)定，而且存在兩種結(jié)構(gòu)模體。這表明在過(guò)冷水中，高密度的液體狀結(jié)構(gòu)的確可以與更符合水的常見(jiàn)鍵合的低密度結(jié)構(gòu)共存。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員拍攝下了當(dāng)水薄膜被加熱和冷卻時(shí)，這些結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間如何變化。他們發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的持續(xù)下降，高密度液體的比例迅速下降，這意味著，所有的結(jié)構(gòu)變化都是可逆且可復(fù)制的。

這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果是里程碑式的，它為一個(gè)已存在多年的理論首次提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，有望拓展我們對(duì)過(guò)冷液態(tài)水分子的理解。

更好地了解過(guò)冷水的行為有助于科學(xué)家更好地掌握水的奇特性質(zhì)。例如，與大多數(shù)物質(zhì)不同，水在結(jié)冰時(shí)會(huì)膨脹，使其密度小于液態(tài)。但也正因?yàn)槿绱?，冰塊才能漂浮在我們的杯子中、湖面上、海面上，這一奇怪的特性維持了地球上的生命，為水生生物在冬天提供了庇護(hù)，使地球上的已知生命如現(xiàn)在這般模樣。

不僅如此，這些研究還能幫助我們理解液態(tài)水會(huì)如何存在于非常寒冷的行星之上，比如我們太陽(yáng)系中的木星、土星、天王星和海王星，甚至太陽(yáng)系之外的世界。從更實(shí)際的角度來(lái)看，更好地理解過(guò)冷水的性質(zhì)，能幫助我們更好的掌握水分子是如何嵌入蛋白質(zhì)的，從而幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)出新的藥物。

雖然目前研究人員還沒(méi)有直接測(cè)量這兩種結(jié)構(gòu)的密度，但他們表示，未來(lái)將會(huì)進(jìn)行更多工作來(lái)進(jìn)一步確認(rèn)這一理論是否正確。而作為一種新穎的技術(shù)，研究中所使用的方法也可以被用來(lái)了解眾多化學(xué)反應(yīng)背后的分子重排問(wèn)題。雖然未知的事物還有很多，但新的研究為我們更好地理解水——這一地球上的生命之源，邁出了成功一步。

參考鏈接：

https://www.pnnl.gov/news-media/supercooled-water-stable-liquid-scientists-show-first-time

https://science.sciencemag.org/content/369/6510/1490

https://www.sciencenews.org/article/stop-motion-experiment-reveals-supercooled-water-dual-nature

封面圖來(lái)源：Timothy Holland/Pacific Northwest National Laboratory

(來(lái)源： 中科院長(zhǎng)春光機(jī)所)

新研究表明水有多種液態(tài)

每個(gè)人都知道水是什么。它是我們所知道生命的關(guān)鍵。水的獨(dú)特之處在于它對(duì)壓力和溫度變化的反應(yīng)，可以和其他液體完全不同。是什么原因?qū)е滤畬?duì)壓力和溫度的反應(yīng)與其他液體不同，科學(xué)家們已經(jīng)研究了一段時(shí)間。

一個(gè)國(guó)際研究小組已經(jīng)證明，水可以以兩種不同的液體狀態(tài)存在。這一發(fā)現(xiàn)或許可以解釋這種無(wú)處不在的液體的異常特性。大約30年前，根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，提出了水以兩種不同液態(tài)存在的可能性。由于水在0度不可避免地形成了冰，因此進(jìn)入水的兩種液態(tài)的實(shí)驗(yàn)一直是個(gè)難題。

水的典型液態(tài)是大家所熟悉的，是正常溫度下的液態(tài)水。研究發(fā)現(xiàn)，在零下63攝氏度左右的低溫條件下，水以兩種不同的液態(tài)存在。一種狀態(tài)是低壓下的低密度液體，另一種狀態(tài)是高壓下的高密度液體。兩種液體的性質(zhì)明顯不同，密度相差20%。

研究結(jié)果暗示，在適當(dāng)?shù)臈l件下，水會(huì)以兩種不相溶的液體存在，被一個(gè)薄薄的界面隔開(kāi)，類似于油和水的共存方式。由于水在地球上的生命和不同領(lǐng)域，如生物化學(xué)、氣候、低溫保存、低溫生物學(xué)、材料科學(xué)和其他工業(yè)過(guò)程中發(fā)揮著根本性的作用，因此學(xué)習(xí)關(guān)于水的一切可能是非常重要的。

這兩種液體狀態(tài)可能會(huì)影響多種科學(xué)和工程應(yīng)用。該項(xiàng)目的研究人員指出，關(guān)于兩種液體的存在如何影響到一般oculus溶液的行為，這仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。