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圖中所示為水的兩種不同局部結構區域間的變化
相變：圖中所示為液態水兩種不同局部結構間的變化
水會以不同的密度存在於兩種不同的液相中。這是瑞典、日本和韓國研究人員用超快的X射線散射測量過冷水滴的特性後，所得到的結論。
儘管作為地球上最重要和普遍存在的液體，水依舊是一個非常令人困惑的物質，它帶有與理想化液體完全不同的物理屬性。人們已經提出幾種理論來闡釋水的特性，但是實驗數據卻很少。
固態冰是水在零攝氏度以下時最穩定的一種相，但是液相在零下溫度時依然能保持亞穩態。在正常環境下，雜質如灰塵顆粒能提供晶核以使水能夠圍繞之形成冰晶體，所以結冰發生得很快。但是在實驗室裡，通過移除雜質使液態水過冷至零攝氏度以下是相對容易的。然而當溫度下降至更低時，分子運動減緩並且在大約零下四十攝氏度時，水分子彼此之間開始形成晶體，這種狀況使純淨的水也能非常迅速地結晶。
「無人地帶」
許多關於液態水的理論預言低溫時在高密度液體與低密度液體之間有一個相變。但是，這被估計發生在水的相圖中所謂「無人地帶」深處的溫度和壓力下，實驗是很難進行的。
在新的研究中，斯德哥爾摩大學（Stockholm University）的Anders Nilsson和同事通過把微米級的水滴分配進真空來進行蒸發冷卻。然後用飛秒級別的X射線雷射脈衝撞擊水滴，這會決定水分子的結構。每個水滴所能達到的溫度取決於在被X脈衝射線撞擊以前其在真空中運動的距離。
冰晶體在許多水滴中形成，但是研究人員從它們的X射線衍射圖樣中辨別了它們並且從分析中排除了這種水滴。通過研究純淨液體水滴的衍射圖樣，研究人員測量了可壓縮性是如何隨溫度變化的，並在負四十四攝氏度時發現了一個最大值。當處在高密度相和低密度相之間的動態平衡時，液體會變得更加軟。這是因為增加的壓力能夠被一些物質在從低密度相轉變為高密度相的過程中所化解。研究人員相信，這個可壓縮性的最大值出現在轉折點附近，液態水在這個轉折點由高密度和低密度大致相等比例的局部結構組成。
在低壓強下，這相變不是太急劇。相反地，在一個相下面應該有微小波動區域在其它相下的更大區域之內。如果這個模型是正確的，就能解釋水在外界環境下異常的特性，因為儘管水主要以高密度相的形式存在，但也會有小的、波動的低密度液體氣泡不斷地在其內部運動。
牛奶、油和水
通過使用分子動力學仿真將他們的實驗數據擬合成理論模型，研究人員認為在高壓強下，兩種液相之間轉折點的溫度將會降低。密度波動的長度尺度將也會增加，在八百大氣壓下會達到一個「臨界點」。Nilsson說：「在那種情況下液體將看起來像牛奶，因為波動將會達到一個可散射可見光的長度尺度。」研究人員預測在更高壓強和更低溫度下，高密度相和低密度相將會完全分開，以至於在一個特定的壓強相關的溫度下，「在一杯水中將會出現被相界分開的兩種不同液體——就像油和水一樣。」
義大利Roma Tra大學的Paola Gallo對此印象深刻。「這個小組成功地超越了之前獲得的過冷極限，」她說道，「這意味著在未來我們能夠進行得更深入。在某些領域，避免結晶是非常重要的，例如其中之一就是低溫貯藏。在這些例子中，解決方案會非常實用，所以精確地了解水在過冷階段中的密度和結構是非常重要的。」
英國盧瑟福?阿普爾頓實驗室（Rutherford Appleton Laboratory）的Alan Soper對此很有興趣但更保持懷疑態度。他指出測量水滴溫度的內在困難讓得出詳盡結論變得困難，他還認為研究人員所測得的可壓縮性的增加是非常微小的：「那僅僅是在散射中非常小的一個增加，並且它經過某種最大值……就像它正在進入正要結晶的階段並且分子正在重排以形成晶體。」他說道，「他們已經清楚地看到了一些東西並且是非常有趣的，」他總結說，「但是真正造成這一現象的原因也許是我們不能直接回答的。」
這項研究被發表於《科學》（Science）雜誌。
翻譯：鄧楚涵
審稿：柯奎宇
原文來自 環球科學
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