定格动画实验揭示了过冷水的双重性质

导读 一个长期存在的理论认为,温度远低于冰点的液态水由两种不同的分子排列组成,一种具有高密度,一种具有低密度。现在,一项实验为该理论提供

一个长期存在的理论认为,温度远低于冰点的液态水由两种不同的分子排列组成,一种具有高密度,一种具有低密度。现在,一项实验为该理论提供了新的证据,研究人员在9月18日的《科学》杂志上报告说。

通常,由于水中的灰尘等杂质,水会在0摄氏度以下结冰,冰晶会在这些杂质上成核。但是,缺乏那些结晶启动剂的纯水可以在更低的温度下保持液态,这种现象称为过冷。

在1990年代,一群物理学家提出,在高压和极低温度下,过冷水会分裂成两种不同密度的不同液体。在进行新实验的大气压下,过冷水会保留一些这种行为的痕迹,从而导致高密度和低密度地层中分子的小规模、瞬态排列。普通液体只有一种这样的排列,而不是两种。

尽管实验已经暗示了这种效应,但科学家们还不能完全确定它(SN:6/18/14)。位于华盛顿州里奇兰的太平洋西北国家实验室的LoniKringle说:“有一个温度区域[过冷水]在实验上很难观察到。”

在大约–113°C和–38°C之间,液体结晶非常迅速,即使它是完全纯净的。这使得梳理它的特性变得困难,因为必须在水结冰前的几分之一秒内进行测量。

现在,Kringle和他的同事通过一个有点像定格电影的实验瞥见了这种模糊的温度状态。他们用激光加热一层薄薄的水,然后迅速冷却液体。用红外线照射胶片可以揭示水分子如何相互碰撞,从而暗示水的结构。然后,该团队重复这一过程,以拍摄该结构在薄膜加热和冷却过程中如何随时间演变的快照。这让科学家们可以测量液体在长时间保持会迅速结晶的温度下的特性。

研究人员得出结论,正如先前预测的那样,水在加热和冷却时的行为可以用两种不同分子排列的共存来解释。然而,该团队尚未直接测量这些结构的密度,因此仍需要做更多的工作来证实该理论是否正确。

“这些技术的结合是相当新颖和独创的,”普林斯顿大学的化学工程师PabloDebenedetti说,他没有参与这项研究。

更好地了解过冷水的奇怪特性可能有助于科学家了解水的怪癖。例如,与大多数物质不同,水结冰时会膨胀,使其密度低于液态。这就是为什么冰漂浮在你的杯子里,为什么它位于湖面上,在下面留下一层液体,可以在冬天为水生生物提供庇护。

“水是一种非常奇怪的液体,”该研究的共同作者、太平洋西北国家实验室的物理学家GregKimmel说。“但每个人都熟悉它,所以我们并没有真正意识到它有多奇怪。”