水（H₂O）是我們所有人都熟悉的物質，理解水的性質和行為對我們有著重要意義。你或許會認為，我們對於水這種物質已經足夠了解，因為它儲量豐富，覆蓋了71%的地球表面，且早已被廣泛用於研究之中。然而，事實卻並非如此。這種看起來簡單的物質，實則複雜得令人難以置信。
水有著許多難以捉摸的怪異性質。在溫度極低的情況下（比如在外太空以及地球大氣層的遠端），水的奇異特性會進一步增強。
一般情況下，水會在低於0℃的溫度下結冰，這都歸結於水中通常含有灰塵或其他的可附著的固體類雜質。但是對於純淨的水來說，由於缺乏雜質作為「晶化啟動劑」，結冰反而變得更加艱難，它需要一種額外的強有力的推動力，才能迫使分子變成結冰所需的特殊結構。因此水可以在很低的溫度下仍然保持液態，這便是所謂的過冷現象。
一直以來，科學家都試圖能夠找到可以解釋水的過冷的正確理論，他們已經提出了各種各樣的模型來對此加以解釋。但是要從眾多競爭理論中找出最恰當的模型，科學家們還缺乏足夠的實驗數據。
上世紀90年代，一組物理學家提出理論，認為在高壓和低溫狀態下，過冷液態水會分成兩種密度不同的液體。換句話說，這種理論認為，溫度遠低於冰點的液態水是由兩種結構不同的分子組成的，一種是高密度分子，另一種是低密度分子。
但是，由於過冷的水會迅速凍結成冰，因此這一現象難以在實驗中被捕捉到。尤其是在-113℃到-38℃之間，這類實驗尤其難以進行，即使是完全純淨的液態水，在這一溫度區間也有著極快的結晶速度。這使得在這個溫度區間研究水的性質非常具有挑戰性，因為這要求測量必須在水結成冰之前的一段極短時間內完成。
現在，《科學》雜誌上刊登了一項新的研究，介紹了一個研究團隊在-138℃到-28℃的溫度範圍內，對液態水進行了一系列測量。他們使用了一種有點像「定格攝影」的實驗方法來對過冷液態水拍攝「快照」。實驗中，他們用雷射對一層水薄膜進行加熱，然後迅速讓其從-28℃冷卻到-83℃，在幾納秒的時間之內就形成過冷的液態水。他們用紅外光照射薄膜來觀察其中的水分子，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據，他們發現，過冷水在極度低溫下不僅相對穩定，而且存在兩種結構模體。這表明在過冷水中，高密度的液體狀結構的確可以與更符合水的常見鍵合的低密度結構共存。
在實驗中，研究人員拍攝下了當水薄膜被加熱和冷卻時，這些結構會隨著時間如何變化。他們發現，隨著溫度的持續下降，高密度液體的比例迅速下降，這意味著，所有的結構變化都是可逆且可複製的。
這一實驗結果是裡程碑式的，它為一個已存在多年的理論首次提供了實驗證據，有望拓展我們對過冷液態水分子的理解。
更好地了解過冷水的行為有助於科學家更好地掌握水的奇特性質。例如，與大多數物質不同，水在結冰時會膨脹，使其密度小於液態。但也正因為如此，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，使地球上的已知生命如現在這般模樣。
不僅如此，這些研究還能幫助我們理解液態水會如何存在於非常寒冷的行星之上，比如我們太陽系中的木星、土星、天王星和海王星，甚至太陽系之外的世界。從更實際的角度來看，更好地理解過冷水的性質，能幫助我們更好的掌握水分子是如何嵌入蛋白質的，從而幫助科學家設計出新的藥物。
雖然目前研究人員還沒有直接測量這兩種結構的密度，但他們表示，未來將會進行更多工作來進一步確認這一理論是否正確。而作為一種新穎的技術，研究中所使用的方法也可以被用來了解眾多化學反應背後的分子重排問題。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。
參考連結：
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
封面圖來源：Timothy Holland/Pacific Northwest National Laboratory