科學家證實,水在零下63攝氏度不結冰,存在兩種不同的液態

2020-12-01 萬象經驗

11月20日,一項發表在《科學》雜誌的研究揭示了水的異常特性。研究人員發現,液態水對壓力和溫度的響應不僅和其它液體不同,甚至連本身都不同。也就是說,水可以以兩種不同的液態狀態存在。這一發現會影響許多科學和工程應用。

生活中隨處可見水的存在,眾所周知,水是生命的主要組成部分之一,因此水是地球上最重要的物質。水的相行為在許多領域中都起著重要的作用,這些領域包括生物化學、氣候、低溫保存、低溫生物學、材料科學以及許多工業過程等。

我們在日常生活中見到的液態水大都是常溫狀態下的。生活經驗告訴我們,當溫度降低到零攝氏度以下時,水就會開始結冰。但是,當水非常純淨沒有雜質時,它能在低於零攝氏度下保持液態,形成所謂的過冷水。

大約30年前,科學家在計算機上模擬水特異性質的時候就發現,過冷水存在兩種液態狀態。但是,這種違反直覺的假設一直是水化學和物理學中最重要的問題之一,並且自誕生以來就一直是一個有爭議的話題。而且,在當時的技術條件下,實驗無法達到所需的低溫,在零下40攝氏度的時候,過冷水就會結冰了。

現在,這個技術成熟了。科學家把過冷水降低到了零下63攝氏度,然後根據X射線的散射方式,使用X射線雷射來研究水的結構如何變化。研究分別在高壓下和低壓下進行,當壓力達到3000個大氣壓時,水呈現出高密度液態;當壓力降低時,水呈現出低密度液態,兩種狀態之間密度相差20%。

也就是說,當這兩種狀態的液態水放在一起時,它們會分層並通過一個稀薄的界面隔開,類似於生活中常見的油和水的分層。科學家表示,這兩種液體的存在會影響水溶液的行為,但是它會如何影響水性環境中的生物分子,仍然是一個懸而未決的問題,這給了科學家下一步的研究目標。

這個結果還表明過冷水可能具有臨界點,在這個臨界點這兩種狀態的液體會合併成我們常見的一種狀態。但是這臨界點的壓力和溫度是多少呢?但是這又產生了一個問題,如果過冷水具有臨界點,那麼日常生活中遇到的水就變得很奇怪,它就是一種超臨界液體。

事實上,水還有一些特性顯得非常奇怪。在4攝氏度以上,它遵循熱脹冷縮的規律。但是在4攝氏度以下,它就開始反常,變成了熱縮冷脹,也就是說此時溫度越低體積越大。

雖然這些實驗條件感覺離我們很遙遠,但是科學家表示,它影響了我們生活中的水。

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  • 零下八十攝氏度,水以液態形式存在
    圖片來源:PNNL官網美國能源部太平洋西北國家實驗室(PNNL)的研究人員在最新一期《科學》雜誌撰文指出,他們首次對超冷水進行測量後發現,在零下80攝氏度的極低溫度下,水以液態形式存在,且由兩種液體混合而成。
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    圖片來源:PNNL官網科技日報北京9月21日電 (記者劉霞)美國能源部太平洋西北國家實驗室(PNNL)的研究人員在最新一期《科學》雜誌撰文指出,他們首次對超冷水進行測量後發現,在零下80攝氏度的極低溫度下,水以液態形式存在,且由兩種液體混合而成
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    當地時間11月20日,紐約城市大學教授Nicolas Giovambattista所在的國際研究團隊在《科學》雜誌中發文稱,他們證實,在特定條件下,水能夠以兩種不同液態存在。該發現有望用於解釋水的諸多異常特性。
  • 零下八十攝氏度,水以液態形式存在   圖片來源:PNNL官網
    圖片來源:PNNL官網美國能源部太平洋西北國家實驗室(PNNL)的研究人員在最新一期《科學》雜誌撰文指出,他們首次對超冷水進行測量後發現,在零下80攝氏度的極低溫度下,水以液態形式存在,且由兩種液體混合而成。
  • 原來,水有兩種液態
    一個國際研究人員小組發現水可以以兩種不同的液態存在時,做出了一項基本發現。 該研究發表在《科學》雜誌上。如您所知,水是生命的關鍵基礎之一,因此水的相行為對於從生物化學到材料科學以及工業過程等廣泛的科學和技術領域都至關重要。了解其狀況對於科學和工程成就至關重要。我們熟悉的液態水對應於約25攝氏度的溫度。大約30年前,在理論計算和計算機模擬的基礎上表達了液態水可以處於兩種不同狀態的想法,這表明:在強冷卻條件下,液態水應該進入另一種液態。
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    它對壓力和溫度變化的反應方式與其他液體完全不同。這些特性在許多實際應用中至關重要。長期以來,這些異常現象的成因一直是科學探索的重點。最近,一個包括紐約城市大學教授尼古拉斯·喬萬巴蒂斯塔在內的國際研究小組已經證明,水可以以兩種不同的液態存在,這一發現可以解釋水的許多異常特性。他們的研究發表在11月20日的《科學》雜誌上。
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    低於冰點的水名叫「超低溫水」。近日,幾所實驗室的科學家造出了目前溫度最低的水。  一支研究團隊成功將液態水溫度降到了230開爾文,另一支則取得了228開爾文的成績(約合零下45攝氏度)。這單從科學角度來看已經很酷炫了,因為「超低溫」領域的研究難度很大。但還不僅於此:水具有奇異的特性,並且對幫助我們了解地球而言意義重大。
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