过冷水已在两种形式之间变形

结果可以帮助解释H 2 0的 一些怪异特性

一项新研究证实,过冷水有两种形式:高密度形式(玻璃底部一半紧紧堆积的水分子来说明)和低密度形式(顶部)。

一项新的研究表明,过冷水是其中的两种。

长期以来,科学家一直在怀疑亚冰点温度下的水有两种不同的类型:高密度的液体在非常高的压力下出现,而低密度的液体在较低的压力下出现。现在,超快测量已将水从一种液体转变为另一种液体,证实了这种预感。这项发现发表在11月20日的《科学》杂志上,可能有助于解释一些水怪。

华盛顿州西北太平洋国家实验室的物理学家格雷格·金梅尔说,该实验“为水确实是两个组成部分的想法提供了越来越多的证据,这就是水如此怪异的原因。”没有参与研究。

当没有杂质时,水可以保持低于零摄氏度典型凝固点的液体状态,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难以研究的温度范围内,因此被称为“无人区”。低于–40°C左右,水在结晶成冰之前仅保持液态。使任务更加艰巨的是,高密度阶段仅在非常高的压力下出现。斯德哥尔摩大学的安德斯·尼尔森表示,“人们仍然梦想着如何进行实验”。

尼尔森及其同事通过快速的实验演习,通过以纳秒为单位监控水的性质,渗透到了无人区。普林斯顿大学的计算化学家居尔泽说:“这是本文的主要成就之一。” “他们的工作给我留下了深刻的印象。”

科学家们开始制造一种高密度的冰。然后,来自红外线激光器的脉冲加热冰,在高压下形成液态水。然后水膨胀了,压力迅速下降了。同时,研究人员根据X射线的散射方式,使用X射线激光来研究水的结构如何变化。随着压力降低,水在结晶成冰之前从高密度流体转变为低密度流体。

先前的研究已经使用超快技术来发现水的两面举动的迹象,但是这些行为主要是在大气压下完成的。在这项新工作中,在大约3000倍大气压和–68°C的温度下观察到了水。“这是我们首次在这些压力和温度下获得真实的实验数据,”太平洋西北国家实验室的物理学家洛尼·克林格说。不参与实验。

结果可能表明过冷水具有一个“临界点”,即一定的压力和温度,在该压力和温度下,两个不同的相合并为一个相。尼尔森希望在未来找到这个位置。

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稠密且更难压缩。水在冷却到4°C时变得更浓,但在进一步冷却时变得不那么浓。同样,它的可压缩性随着冷却而增加。

如果过冷水具有临界点,则可能表明日常生活中遇到的水很奇怪,因为在典型的压力和温度下,它是一种超临界液体-一种超出临界点的怪异状态。这样的液体将不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于分子之间氢键的排列不同而产生的,它们的相对数量会随着温度的变化而变化,这解释了为什么水在冷却时会表现出奇怪的行为。

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