-80℃的液態水被發現,由「兩種液體」組成且穩定存在

2020-12-04 騰訊網

科學家首次觀測到極冷液態水以兩種顯著不同的結構共存，並且這兩種結構的比例受溫度影響。

藝術想像圖。圖片來源：zmescience.com

來源 美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）

翻譯 王千玥

編輯 魏瀟

在遠低於冰點的極低溫度下，水能夠以液態形式存在，並且還是兩種液體的混合體。

9 月 18 日，這項由美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）完成的研究成果發表在《科學》（Science）雜誌上，提供了難得的實驗數據來解釋水在溫度極低的外太空，以及大氣稀缺的地球環境等極端條件下表現出的古怪特性。

直到現在，可能達到的最極端溫度下的液態水仍是諸多理論與假說爭論的對象。一些科學家們迫切地想知道水可不可能在 -83.15℃（190 K）的極低溫度下真實存在，過冷水是否只是液態水轉化為固相這一過程中的「必經之路」？

「我們的研究結果表明，在極冷溫度下液態水不僅僅相對穩定性較好，它還能以兩種結構構象存在。」 PNNL 的化學物理學家 Greg Kimmel 指出，長期以來，科學家們一直對過冷水是否總在體系達到平衡前結晶這個問題爭議不斷，新研究成果將他們多年的問號拉直成了感嘆號——答案是否定的！

超級過冷水：液體雙城記

你或許覺得我們現在已經很了解水了。水覆蓋了地球上高達 71% 的面積，是這個星球上分布最廣泛、被研究最透徹的物質之一。然而千萬別被它單純的外表騙了：儘管它每個分子僅由 2 個 H 和 1 個 O 組成，看起來十分簡單，但 H2O 其實很複雜。

比如，水因為低溫而凝固的現象就很「不容易」。水很難在剛好低於熔點的溫度結冰，除非有塵埃或其他固體物質作為凝結核供水分子附著，啟動結冰過程。因此在純水中，分子從液態規律排列形成固體需要額外的擾動。神奇的是，與其他液體不同，從液相轉化為固相時，它的體積會增大。然而，正是水的這個特性滋養著地球上萬物的生長。如果冰塊下沉、大氣中的水蒸氣無法儲存熱量，那麼地球上的生命將不復存在。

水的這種奇妙性質讓化學物理學家 Bruce Kay 和 Greg Kimmel 25 年來一直為它痴迷。如今，他們同博士後 Loni Kringle、Wyatt Thornley 終於取得了裡程碑式的進展，拓展了人們對液體水分子行為的理解。

為解釋水不尋常的性質，科學家們提出了多個模型。通過給過冷水拍「快照」（snapshot）生成定格動畫（stop-motion）而獲得的新數據顯示，它能濃縮成高密度、液體狀的結構。這種高密度形式的水與一種低密度結構（與經典水的價鍵結構一致）共存。隨著溫度從 -28.15℃ （245 K）降到 -83.15℃（190 K），高密度液體的佔比迅速下降，支持了過冷水「混合模型」的預測。

利用紅外光譜儀，Kringle 和 Thornley 成功觀察到了用雷射摧毀一層薄冰時水分子的定格動畫。他們發現，在短短幾納秒的時間內，過冷液態水便產生了。

圖片來源：Timothy Holland, Pacific Northwest National Laboratory

「一個重要的觀測發現是所有結構變化都是可逆、可重複的」， Kringle 在進行了多個實驗後總結道。

霰：我是過冷水形成的！

當天氣變冷，有時會有小小的白色蓬鬆顆粒從天而降，這種現象被稱為霰。這項研究或許還能解釋為什麼霰是暴風雪的前兆：霰是雪花與大氣上層的過冷液態水相互作用形成的。

圖片來源：facebook

「大氣層上部的液態水是高度冷卻的，」 PNNL 實驗室成員、水物理學專家 Kay 解釋道，「當它碰到雪花時，液態水迅速冷結冰。在合適的條件下向大地飛去。這大概是很多人對過冷水效應的唯一體驗了。

除了解釋地球上的天氣現象，這些研究還有助於理解液態水是如何在木星、土星、天王星和海王星這些寒冷的星球上存在的。另外，當彗星掃過夜空時，它那美麗耀眼的長尾巴也是過冷水蒸汽形成的。

水分子的全能體操

在地球上，對水分子行為的深入理解可以幫助科學家設計新藥。畢竟，水分子如同一位體操運動員，可以在擁擠的情況下在蛋白質中靈活穿梭，設法卡進蛋白質的位點。

「每個蛋白周圍留給水分子的運動空間並不多，」 Kringle 表示，「這項研究闡明了液態水是如何應對緊密堆積的環境的。」

Thornley 還指出，「在今後的研究中，我們可以利用這個新方法來跟蹤多種化學反應中的分子重排情況。」

雖然仍有很多未知的事物值得探索，但這些觀測結果將使我們對地球生命之源有進一步理解。

論文信息

【標題】Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K

【作者】Loni Kringle, Wyatt A. Thornley, Bruce D. Kay, Greg A. Kimmel

【期刊】Science

【時間】18 Sep 2020

【DOI】10.1126/science.abb7542

【摘要】

A fundamental understanding of the unusual properties of water remains elusive because of the limited data at the temperatures and pressures needed to decide among competing theories. We investigated the structural transformations of transiently heated supercooled water films, which evolved for several nanoseconds per pulse during fast laser heating before quenching to 70 kelvin (K). Water’s structure relaxed from its initial configuration to a steady-state configuration before appreciable crystallization. Over the full temperature range investigated, all structural changes were reversible and reproducible by a linear combination of high- and low-temperature structural motifs. The fraction of the liquid with the high-temperature motif decreased rapidly as the temperature decreased from 245 to 190 K, consistent with the predictions of two-state 「mixture」 models for supercooled water in the supercritical regime.

【連結】

https://science.sciencemag.org/content/369/6510/1490

https://www.pnnl.gov/news-media/supercooled-water-stable-liquid-scientists-show-first-time

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  • 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。
  • 水到底是什麼?它是一種液體,還是兩種液體
    我們都知道水是萬物之源，因為最早的微生物就是在水中誕生的。今天，我們知道地球上所有的生命幾乎都無法離開水，可是水到底是什麼？眾所周知水的分子結構是2個氫原子加一個氧原子，可是水的存在形式是有三種：液態，固態和氣態。
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    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。
  • 一杯水,會出現兩種不同液體狀態嗎?
    水會以不同的密度存在於兩種不同的液相中。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。
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    近日，斯德哥爾摩大學的研究人員證實了液體有兩種存在形式——一種密度較高，一種密度較低。他們的新發現將有助於開發更好的淨化和脫鹽流程。氫元素是世界上最基本的元素，我們探尋氫的新特性的腳步從未停止，而水分子作為地球上最基本的分子之一，如今，科學家也開始研究它的複雜性。
  • 研究人員證明了水在-63攝氏度下,具有兩種液態
    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體狀態存在這一發現或許可以解釋這種無處不在的液體的異常特性。大約30年前，根據計算機模擬的結果，提出了水以兩種不同液態存在的可能性。由於水在0度不可避免地形成了冰，因此進入水的兩種液態的實驗一直是個難題。.......................................................................................
  • 科學家證實水有兩種液態形式,類似油與水共存
    水是一種普遍但又不可思議的物質，至今我們都還未能完全了解水的特性。最近，紐約市立大學團隊證明了水能以2種不同的液態存在，這項發現可以解釋許多我們覺得水違反常理的「異常」。我們最熟悉的水就是在常溫長壓下呈無色無味的透明液體，然而水對壓力與溫度變化的響應方式可能與其他液體完全不同，並且這些特性在許多實際應用、甚至維持生命功能都至關重要。大約30年前，科學家就根據計算機模擬結果知道水以2種不同的液態面貌存在之可能性，這種假設違反主動，一直是水化學與物理學中最重要的問題之一。