已发现过冷水在两种形式之间变形

导读 长期以来,科学家们一直怀疑低于冰点温度的水有两种不同的类型:一种是在非常高的压力下出现的高密度液体,另一种是在较低压力下出现的低密

长期以来,科学家们一直怀疑低于冰点温度的水有两种不同的类型:一种是在非常高的压力下出现的高密度液体,另一种是在较低压力下出现的低密度液体。现在,超快测量发现水从一种液体转变为另一种液体,证实了这种预感。这一发现发表在11月20日的《科学》杂志上,可能有助于解释水的一些怪癖。

华盛顿州里奇兰太平洋西北国家实验室的物理学家GregKimmel说,这项实验“为水确实是两种成分的观点提供了越来越多的证据……这就是水如此奇怪的根本原因”。没有参与研究。

当没有杂质时,水可以在其典型的零摄氏度冰点以下保持液态,形成所谓的过冷液体。但是过冷水的双重性质预计会出现在一个很难研究的温度领域,它被称为“无人区”。在大约–40°C以下,水在结晶成冰之前仅会保持液态。使任务更加艰巨的是,高密度相仅在非常高的压力下出现。尽管如此,“人们一直梦想着如何进行实验,”斯德哥尔摩大学的安德斯·尼尔森(AndersNilsson)说。

得益于快速的实验操作,Nilsson和他的同事们通过在纳秒级上监测水的特性,潜入了无人区。“这是这篇论文的主要成就之一,”普林斯顿大学的计算化学家GülZerze说。“我对他们的工作印象深刻。”

科学家们首先制造了一种高密度冰。然后,来自红外激光的脉冲加热冰,在高压下形成液态水。然后水膨胀,压力迅速下降。同时,研究人员使用X射线激光根据X射线的散射方式研究水的结构如何变化。随着压力的降低,水在结晶成冰之前从高密度流体转变为低密度流体。

以前的研究使用超快技术来寻找水的双面行为的迹象,但这些研究主要是在大气压力下完成的(SN:9/28/20)。在这项新研究中,水在大约3,000倍大气压和–68°C的条件下被观测到。不参与实验。

结果可能表明过冷水有一个“临界点”——在一定的压力和温度下,两个不同的相会合二为一。未来,尼尔森希望能够准确定位那个位置。

这样的临界点可以解释为什么水是一种奇怪的液体。对于大多数液体,冷却会使它们变得更致密且更难压缩。当水冷却到4°C时,它的密度会变大,但随着温度的进一步冷却,水的密度会变小。同样,它的压缩性随着冷却而增加。

如果过冷水有一个临界点,这可能表明日常生活中遇到的水是奇怪的,因为在典型的压力和温度下,它是一种超临界液体——一种超过临界点的奇怪状态。这样的液体不会是高密度或低密度形式,而是由一些具有高密度水分子排列的区域和其他低密度袋组成。这两种结构的相对数量是由分子间氢键的不同排列引起的,它们会随着温度的变化而变化,这就解释了为什么水在冷却时会表现得很奇怪。

因此,尽管该实验涉及极端压力和温度,尼尔森说,“它影响了我们日常生活中的水。”

物理作家EmilyConover拥有博士学位。在芝加哥大学获得物理学博士学位。她曾两次获得DC科学作家协会新闻简报奖。

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