水不是一種液體,而是兩種?!

圖片來源：Phys.org

撰文 Katharine Sanderson

翻譯 賈曉璇

編輯 魏瀟

地球上最珍貴的液體其實是非常奇特的，正是它的奇特之處讓我們賴以生存。近期，有實驗揭開了水的真面目：水不是一種液體，而是兩種。

把大部分職業生涯都用來研究水的安德斯·尼爾森（Anders Nilsson）表示：「水真的太神奇了。」他的觀點我們可能很難理解——畢竟還有什麼能比水更普通？它的特性早已人盡皆知，外觀也尋常不過，以至於我們被它迷惑，覺得水或多或少和其他的物質是一樣的。但實際上，水的奇特之處獨一無二，如果不是這樣的話我們誰都不會注意到它。

比如說，如果 4°C 的水比冰的密度小，那麼湖泊和河流就會從底部開始結冰，裡面的魚類也會被逐漸凍死；如果水吸收熱量的能力沒有那麼強，那麼我們整顆星球早就沸騰起來了；如果水分子在沿著靜脈流淌、透過細胞膜的時候，不能攜帶足夠的化學物質，那麼動植物就都會死於營養不良。

至少從伽利略時代起，科學家們就一直在探索水的奇異性，但都徒勞無功。直到現在，尼爾森等人的工作終於能讓我們對水的特性一窺究竟。他們給出的解釋和水本身一樣奇妙：水不是一種液體，而是兩種。

水的示意圖/圖片來源：Lotus Studio

在某種程度上，水有多種的形式，這並不奇怪。根據溫度和壓強的不同，水有三相：固相、液相和氣相。水在海平面上的沸點是 100℃ ；但是在高海拔地區，隨著氣壓的降低，水能夠在更低的溫度下沸騰——這節省了煮茶的時間，但是煮出來的茶並不好喝。

在大多數情況下，液相和氣相有明顯區別。但增加溫度和壓強，兩相會開始變化。隨著壓縮程度的增大，氣相會表現出液相的性質；同樣，隨著溫度的升高，液相也會逐漸表現出氣相的性質。如果壓強或溫度足夠大，直到達到一種稱為「臨界點」的微妙平衡，你就很難將兩相區分開來。只要稍稍降低溫度或壓強，水就又回到了單相狀態。

普通又神奇的水

這就是為什麼水其實是兩種液體的原因。不考慮壓力的話，幾乎所有物質都有一個高溫的氣-液相轉變的臨界點，少數材料在存在低溫的第二臨界點。舉例來說，如果你把液態矽和鍺的混合物在適當條件下冷卻，你能得到一種由兩種密度不同的液體組成的「混合液體」。這兩種液體原子組成相同但構型不同，因此性質也不一樣。

儘管第二臨界點很特殊，但這僅能做學術研究之用。如果你不是研究液態矽的專家，那你可能並不會注意到這些問題。

不過在 1992 年，波士頓大學（Boston University）的彼得·普爾（Peter Poole）和吉恩·斯坦利（Gene Stanley）的團隊推翻了傳統的觀點。先前有實驗表明，低溫下水的密度會發生起伏，溫度越低，密度起伏越大。他們對這一與先前的預測相矛盾的現象很感興趣。因為通常情況下，溫度越低，密度起伏應該越小。

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為了探究現象背後的微觀機制，普爾和斯坦利的團隊模擬了水過冷的過程，即小心地將水冷卻，保證其在溫度低於凝固點時還保持液相。模擬結果顯示，過冷的水中確實存在密度起伏，且密度起伏隨溫度降低而增大。研究變得越來越有意思了。

普爾和斯坦利的團隊推測這是第二臨界點的特徵：達到第二臨界點時，水會分裂成兩種密度不同的液體——每種各為一相；超過這個臨界點後，兩相難以區分，水會在兩相間迅速變化。由於兩相性質不同，水在轉變成任何一相時都會發生密度的快速改變，從而形成第二臨界點。

他們認為水可能有兩個臨界點，這種觀點與主流相悖。尼爾森說：「與水有關的一切都存在爭議。」大多數研究者認為水的性質可以用更常規的理論來解釋。一種觀點認為，在非常低的溫度下，過冷的水會轉變成一種無序的固體，而不是具有晶體結構的冰。還有人認為這種所謂的第二臨界點，其實是水凝固時的一種特殊現象。

遲到了 26 年的證據

普爾和斯坦利的團隊很清楚，用實驗證實「第二臨界點」的設想十分困難，幾近不可能。第二臨界點的溫度在 -45℃，在如此低的溫度下過冷的水會自髮結晶成冰。斯坦利說：「最大的挑戰在於，如何非常非常迅速地將水冷卻。設計實驗的人需要非常聰明。」

瑞典斯德哥爾摩大學的尼爾森無法拒絕這一挑戰的誘惑。他和他的團隊多年來一直專注於研究水的奇特性，對普爾和斯坦利兩種液體的構想很感興趣。21 世紀初在室溫、常壓條件下對水的研究讓尼爾森確信，水分子或許存在兩種不同的排布：一種是密排無序的，一種具有有序的四面體排布，密度也更低。他的實驗表明，在室溫條件下，低密度的有序相團簇隨機分布在高密度的無序相中。但同事並不認可他的觀點。

水分子的排布結構：低密度下的四面體排布（左）和高密度下的無序排布。

隨後在 2008 年的一系列會議上，他不再局限於外圍的研究，認識了許多研究過冷水的同僚。尼爾森很快發現他們的觀點可以結合在一起。他說，畢竟水是一種物質：「不能在室溫下是一個樣子，到了過冷條件下又是另外一個樣子。」尼爾森認為機會來了。「這個領域幾乎全是理論學家，還沒做過什麼實驗，很適合我去涉足。」

尼爾森把證明水存在第二臨界點的重點，放在了驗證普爾和斯坦利的關鍵預測上，即過冷的水隨著溫度變低會產生密度起伏。實驗計劃很簡單：測量出密度起伏，然後通過改變溫度來加大起伏的幅度。沿著這條路徑——斯坦利將其用一位化學家先驅維多姆（Widom）來命名——最終就能達到第二臨界點。羅馬第三大學（Roma Tre University）的理論物理學家寶拉·加洛（Paola Gallo）贊同道「：一旦實現了維多姆路徑，肯定能觀察到臨界現象。」

著名化學家 Benjamin Widom

但是實驗做起來卻一點也不簡單。因為水會在微小的雜質周圍凝結成冰晶，尼爾森必須要對抗水凝固的傾向。2017 年，使用韓國最先進的設備，尼爾森的團隊將超純水滴入真空室中，冷卻到了 -45°C 。在水滴滴落的過程中，尼爾森測量了水滴體積的變化，從而得到了水滴密度隨壓力變化的關係。

2017 年 12 月，尼爾森等人發表了實驗結果，展示了在過冷水凝固之前抓拍到的照片。同時，研究者認為他們找到了維多姆路徑存在的誘人證據，這一路徑將引導大家發現第二臨界點。

（論文連結：http://science.sciencemag.org/content/358/6370/1589）

尼爾森團隊在論文附加材料中展示的照片

加洛認為尼爾森的實驗結果非常重要，但其他研究人員儘管對該團隊的實驗技術大加讚賞，但對他們得到的結論卻持懷疑態度。位於英國哈韋爾（Harwell）的科學與技術設施理事會（STFC）盧瑟福·阿普爾頓實驗室（Rutherford Appleton Laboratory）的艾倫·索普(Alan Soper)表示，這個實驗能證明存在臨界點的證據「接近於零」。「尼爾森觀察到的體積變化非常小，存在許多可能的解釋，第二臨界點的存在只是各種可能中的一種。」

加州大學伯克利分校（the University of California，Berkeley）的裡奇·薩凱利（Rich Saykally）也持懷疑態度：「用花裡胡哨的結果說服不了專家，還需要更多的證據。」和普爾和斯坦利反對者一樣，他認為這些結果能用水在低溫下凝固時的特殊現象來解釋。

不過在 2018 年 3 月，另一組證據的出現告訴我們，水還有可研究之處。不同於尼爾森的實驗，阿姆斯特丹大學（the University of Amsterdam）的桑德·沃特森（Sander Woutersen）使用了另一種方法來防止水凝固結晶：防凍劑。他們精心選取了一種與水分子結構相似的防凍劑，可以很好地溶解在周圍的液態水當中。當把上述混合物冷卻時，它的密度發生了突變。因為選取的溶質與純水結構非常相似，他們認為實驗結果能夠證明水確實存在第二臨界點。普林斯頓大學（Princeton University）的巴勃羅·德貝尼代蒂（Pablo Debenedetti）稱讚：「這項工作非常漂亮。」他認為這項結果支持了「水由兩相組成」的觀點，但並不能將研究畫上句號。

雖然花了 26 年的時間，但兩組嚴謹的實驗學家終於給普爾和斯坦利的猜測提供了堅實的實驗結果——相隔時間僅有幾個月。斯坦利說：「科學就是這麼有意思。」

生命之源

如果這個理論是正確的，那麼其後果和影響並不僅限於尼爾森和沃特森在實驗室中創造出的水的特殊狀態。尼爾森說：「所有這些討論都涉及到常溫狀態和生命。」德韋內德蒂（Debenedetti）表示同意：「實驗結果影響深遠，解決的不僅僅是臨界點的問題。水是一種流體，在外界環境中的性質能夠反映出過冷時的特性。」

瑞士日內瓦羅納河與的阿夫河匯合處/攝影：Henryk Sadura / Alamy Stock

倫敦南岸大學（London South Bank University）的馬丁·卓別林（Martin Chaplin）認為，水在低溫下具有兩種不同結構的理論，可以很好地解釋水在常溫常壓下的異常現象。比如 4℃ 水的密度比冰大，是因為水隨著溫度的上升會轉變為高密度的無序相；水具有極佳的吸熱能力，是因為熱量會使水分子的結構發生變化，從一相轉變為另一相；水在壓力下擴散能力依然很強，是因為在高壓下佔主導地位的無序相具有很強的流動性。

斯坦利認為，考慮到水對生命的重要性，水在第二臨界點附近的密度大幅起伏可能是有助於生命出現的一個重要因素。德韋內德蒂正試圖驗證這一假設。他打算用計算機模擬出蛋白質在不同溫度和壓力下，尤其是第二臨界點附近的行為。德韋內德蒂對在這些極端條件下，蛋白質與高/低密度兩種形態的液態水之間的相互作用很感興趣。

但第一步是要確認上述假設的正確性。晚些時候的實驗可能會為此問題蓋棺定論。尼爾森計劃返回韓國，進一步推進第二臨界點和維多姆路徑的研究。如果實驗成功，關於水奇特性質的謎團將會被解開——而水會變得比以往更加神奇。

神奇的水

地球上最普通不過的水卻具有很多神奇的性質：

? 水在融化時體積收縮，這與大多數物質相反；

? 水的表面張力非常高；

? 水很難被壓縮；

? 地球上三種狀態的水都存在：固態、氣態和液態；

? 水溶解不同物質的能力很強；

? 熱水比冷水結冰快，這種現象被稱為姆潘巴（Mpemba）效應。

https://www.newscientist.com/article/mg23831800-100-h2oh-water-is-actually-two-liquids-disguised-as-one/