-138°C时液态水还存在吗?物理学家用25年研究实现超冷水里程碑
2020-09-21 18:30:54  出处:雷锋网  作者:付静 编辑:陈驰     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

标准大气压下(1.013 x 10^5 Pa)水在0摄氏度时会结冰。

这是一条很基本的物理规律。那么,非标准大气压下水何时会结冰?水的凝固点最低可以降到什么程度?

实际上,科学家们已经提出,水可以在远低于 0 摄氏度的情况下以液体形式存在。

就在前几天,美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)物理科学部又发现,水不仅能在极冷的温度下(例如零下 80度)以液态形式保持稳定性,还能以两种可逆的结构构象存在。

-138°C时液态水还存在吗?物理学家用25年研究实现超冷水里程碑

超低温下存在液态水

2020年9月18日,PNNL团队将上述研究成果发表于 Science,论文题为Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to245K(从135K到245K的超冷液态水可逆结构转变)。

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数字后面的K代表Kelvin(开尔文),是国际单位制中的温度单位,即开氏温标,而我们经常所说的摄氏度是指摄氏温标。

两种温标的关系是 [K] = [°C] + 273.15,因此论文中探讨的温度范围转换过来即-138.15°C到-28.15°C。

也就是说,即便是在如此低的温度下,水依然能以液态形式存在。在论文中,PNNL 团队科学家们将其称为超冷水(supercooled water)。

其实早在2011年,一组化学家就得出结论——-48°C 时水一定会结冰。

据新华网报道,当年这一研究团队的论文发表于Nature:

化学家们利用计算机模拟32768个水分子冷却时的情形,经过数千小时实验后结论得出。-48°C时水一定会结冰,接近这一温度时,其密度、结构也开始变化。

当前,超低温下存在液态水,这一结论是肯定的,但凝固点最低可以到什么程度,依然是不少科学家争论的点。

超冷水包含两种结构

大众对水的了解有多少呢?

无色无味透明、化学式为H₂O、生命的源泉、覆盖地球表面约 71%、密度为 1g/cm³......

上述信息早已成为常识,但只知道这些是远远不够的,不过就连科学家们也认为对液态水一些特殊性质的理解是难以捉摸的。

其原因正如 PNNL 团队在论文中所说,目前还没有充足的温度和压力数据,很难给出确切的答案,各种理论处于一个相互竞争的状态。

PNNL 团队表示:

水常常会显示出许多异常性质,这些性质在温度低到一定程度时会进一步增强。

因此,研究超冷水的性质成为了 PNNL 团队的一个目标。

据称,团队获取了温度在-138.15°C 到-28.15°C的超冷水膜红外光谱,这种光谱是通过超快速的加热和冷却过程在数纳秒内形成的。

具体来讲,团队研究了瞬时加热的超冷水膜的结构转变,这一结构在快速激光加热到 -203.15°C之前,每脉冲演化数纳秒。

经研究发现:

超冷水由最初较为松弛的结构变化成为结晶前的稳态结构;

超冷水在 -103.15°C时结晶之前达到“热力平衡”(thermally equilibrates);

在-138.15°C到 -28.15°C范围内,超冷水的结构是一种线性组合。

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值得一提的是,这种线性组合其实是由两种结构组成,即不同密度和温度的两种液体,可逆、可重复。其中,在温度从 -28.15°C 降至 -83.15°C 时,温度较高液体的比例迅速下降。

用 25 年立起的里程碑

PNNL 官网介绍,面对水的奇特性质,化学物理学家 Bruce Kay(也是水物理方面的专家) 和 Greg Kimmel已研究了25年。终于,二人和两位博士后 Loni Kringle、Wyatt Thornley 共同推进了这一里程碑的实现,希望能帮助大众加深对液态水结构的理解。

Greg Kimmel表示:

液态水在极端低温下不仅相对稳定,而且存在两种结构模式。这解释了一个长期存在的科学争议,即超冷水在达到平衡状态之前是否总会结晶——答案是否。

雷锋网注意到,这一发现的意义还不只如此。

第一,这项研究有助于解释霰(xiàn),即一种在寒冷天气中降落的白色不透明小冰粒(如下图所示)。

-138°C时液态水还存在吗?物理学家用25年研究实现超冷水里程碑

Bruce Kay 认为,当雪花与高层大气中的超冷水相互作用时,就会形成霰。

第二,这项研究能帮助我们理解液态水是如何存在于异常寒冷的太阳系或系外行星上的(如木星、土星、天王星和海王星)。

PNNL 官方也表示:

这一发现是长期以来人们一直在寻找的实验数据,它解释了为何液态水会在外太空或地球上的极端低温下表现出一些奇特性质。

第三,深入了解液态水的状态变化,尤其是在紧张状态下受到扭曲时(如单个水分子嵌入蛋白质),可帮助科学家设计新药。正如 Wyatt Thornley 所说:

未来的研究中,我们可以通过这项新技术跟踪一系列化学反应背后的分子重排。

- THE END -

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原文链接:雷锋网 责任编辑:陈驰

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