水的“秘密”
2020-09-30 16:29

水的“秘密”

极洽液态水同时存在两种不同结构,每种结构所占比例随温度变化而变化。本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:小雨,原标题为:《首个实验证据,揭示水的一种奇异性质》,题图来自:视觉中国




(H₂O)是我们所有人都熟悉的物质,理解水的性质和行为对我们有着重要意义。你或许会认为,我们对于水这种物质已经足够了解,因为它储量丰富,覆盖了71%的地球表面,且早已被广泛用于研究之中。然而,事实却并非如此。这种看起来简单的物质,实则复杂得令人难以置信。


水有着许多难以捉摸的怪异性质。在温度极低的情况下(比如在外太空以及地球大气层的远端),水的奇异特性会进一步增强。


一般情况下,水会在低于0℃的温度下结冰,这都归结于水中通常含有灰尘或其他的可附着的固体类杂质。但是对于纯净的水来说,由于缺乏杂质作为“晶化启动剂”,结冰反而变得更加艰难,它需要一种额外的强有力的推动力,才能迫使分子变成结冰所需的特殊结构。因此水可以在很低的温度下仍然保持液态,这便是所谓的过冷现象。


一直以来,科学家都试图能够找到可以解释水过冷的正确理论,他们已经提出了各种各样的模型来对此加以解释。但是要从众多竞争理论中找出最恰当的模型,科学家们还缺乏足够的实验数据。



上世纪90年代,一组物理学家提出理论,认为在高压和低温状态下,过冷液态水会分成两种密度不同的液体。换句话说,这种理论认为,温度远低于冰点的液态水是由两种结构不同的分子组成的,一种是高密度分子,另一种是低密度分子。


但是,由于过冷的水会迅速冻结成冰,因此这一现象难以在实验中被捕捉到。尤其是在-113℃到-38℃之间,这类实验尤其难以进行,即使是完全纯净的液态水,在这一温度区间也有着极快的结晶速度。这使得在这个温度区间研究水的性质非常具有挑战性,因为这要求测量必须在水结成冰之前的一段极短时间内完成。


现在,《科学》杂志上刊登了一项新的研究,介绍了一个研究团队在-138℃到-28℃的温度范围内,对液态水进行了一系列测量。他们使用了一种有点像“定格摄影”的实验方法来对过冷液态水拍摄“快照”。实验中,他们用激光对一层水薄膜进行加热,然后迅速让其从-28℃冷却到-83℃,在几纳秒的时间之内就形成过冷的液态水。他们用红外光照射薄膜来观察其中的水分子,分析这些水分子是如何相互推挤的。


利用这种方法所收集到的数据,他们发现,过冷水在极度低温下不仅相对稳定,而且存在两种结构模体。这表明在过冷水中,高密度的液体状结构的确可以与更符合水的常见键合的低密度结构共存。


在实验中,研究人员拍摄下了当水薄膜被加热和冷却时,这些结构会随着时间如何变化。他们发现,随着温度的持续下降,高密度液体的比例迅速下降,这意味着,所有的结构变化都是可逆且可复制的。




这一实验结果是里程碑式的,它为一个已存在多年的理论首次提供了实验证据,有望拓展我们对过冷液态水分子的理解。


更好地了解过冷水的行为有助于科学家更好地掌握水的奇特性质。例如,与大多数物质不同,水在结冰时会膨胀,使其密度小于液态。但也正因为如此,冰块才能漂浮在我们的杯子中、湖面上、海面上,这一奇怪的特性维持了地球上的生命,为水生生物在冬天提供了庇护,使地球上的已知生命如现在这般模样。


不仅如此,这些研究还能帮助我们理解液态水会如何存在于非常寒冷的行星之上,比如我们太阳系中的木星、土星、天王星和海王星,甚至太阳系之外的世界。从更实际的角度来看,更好地理解过冷水的性质,能帮助我们更好的掌握水分子是如何嵌入蛋白质的,从而帮助科学家设计出新的药物。


虽然目前研究人员还没有直接测量这两种结构的密度,但他们表示,未来将会进行更多工作来进一步确认这一理论是否正确。而作为一种新颖的技术,研究中所使用的方法也可以被用来了解众多化学反应背后的分子重排问题。虽然未知的事物还有很多,但新的研究为我们更好地理解水——这一地球上的生命之源,迈出了成功一步。


参考链接:

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

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

https://www.sciencenews.org/article/stop-motion-experiment-reveals-supercooled-water-dual-nature


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:小雨

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