科學家首次證明：過冷水是穩定液體

2020-09-21 科技工作者


利用脈衝雷射加熱和紅外光譜技術，科學家首次捕捉到了過冷水結構的可逆變化。

《科學》雜誌9月18日報導，美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL@DOE）的研究人員首次發現：在遠低於典型冰點值的溫度下，水仍以液態形式存在。過冷水實際上是兩種液體混合而成的。

在外太空或地球大氣層遠端的極端溫度下水會產生一些「奇怪行為」，這項研究為解釋這類行為提供了實驗數據。關於極端溫度下的液態水，目前還有很多謎團。有科學家提出疑問：水是否可能在190開爾文的低溫下以液體形式存在？而這種極端溫度下水的奇怪行為是否只是其向固態轉化前的重排行為？

這些疑問非常重要——地球表面超過70%都被水所覆蓋，理解水對環境的調節作用，對人類有重要意義。PNNL化學物理學家Greg Kimmel說：「我們發現，極端低溫下的液態水不僅相對穩定，還存在兩種結構模式。我們的發現為 『深度過冷水在達到平衡之前是否總會結晶』這一長期爭議作了定論，答案是否定的。」

要讓水在低於融點時結冰是非常困難的，除非水中混入了灰塵或者其他可附著固體。而在純水中，更需要一種強勁的驅動力，才能將水分子推擠成結冰所需的特殊結構。水在結冰時會膨脹，這與其他液體相比而言十分奇怪。然而，正是這種奇怪的行為維繫著地球上的生命：如果冰塊下沉或者大氣中的水蒸氣無法保持熱量，地球上的生命就不復存在了。

PNNL科學家Bruce Kay和Kimmel等已經從事水研究長達25年。現在，他們進一步加深了人類對液態水分子的認識。為了解釋水的超常特性，科學家提出了各種各樣的模型。通過分析過冷水的「定格快照」，研究人員發現過冷水可以凝結成高密度的類液體結構。這種高密度形態與低密度結構共存，非常符合水的典型鍵合預期。當溫度從245開爾文降低至190開爾文，高密度液體的比例迅速下降，這支持了有關過冷水「混合模型」的預測。Kringle解釋道：「關鍵的觀察結果是，所有的結構變化都是可逆和可重複的。」

當雪花與高層大氣中的過冷水相互作用時，會形成霰。Kay團隊的研究可能有助於解釋霰的形成。Kay說：「上層大氣中的液態水是深度冷卻的。當它遇到雪花時，會迅速結冰，然後在條件合適時飄落到地面——這可能是大多數人唯一一次感受過冷水的影響。」

此外，新研究還能幫助科學家分析為何液態水能在木星、土星和海王星等寒冷星球存在。在未來的研究中，研究人員也可以利用此次研究結果跟蹤化學反應背後的分子重排現象。不僅如此，更好地理解水在「緊張狀態」下的扭曲作用（如單個水分子嵌入蛋白質）也有助於新藥設計。

編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《科學》

期刊編號：0036-8075

原文連結：https://phys.org/news/2020-09-supercooled-stable-liquid-scientists.html

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