水的形狀：新研究細節水的神秘相變

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】水總是重要的，總是有爭議的，總是令人著迷，仍然令人驚訝。根據亞利桑那州立大學化學家C.奧斯汀安傑爾所說：對於一種在地球上無處不在的物質，我們的星球有四分之三被水覆蓋，研究人員仍然會對其某些性質感到驚訝。ASU分子科學學院的攝政教授Angell花費了他卓越的職業生涯中很大一部分時間來追蹤一些水的更好奇的物理特性。在科學雜誌（3月9日）發表的一項新研究中，阿姆斯特丹大學的Angell及其同事第一次觀察到水理論家預測的一個更有趣的特性——即在足夠的超冷和在特定條件下，它會突然從一種液體變成另一種液體。新的液體仍然是水，但現在它的密度較低，並且氫鍵合分子排列不同，鍵合更強，使其成為更粘稠的液體。

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這與"聚水"無關，幾十年前的一場科學慘敗。新現象是液——液相變，直到現在它才被用於水模型的計算機模擬中。直接在真水中觀察這種現象的問題是，在理論說它應該發生之前不久，真正的水突然結冰成冰。這被稱為「結晶帷幕」，幾十年來它在理解水生物理學和水生物學方面取得了進展。這種結晶溫度與玻璃態水（由蒸汽中的水分子沉積而形成）在加熱過程中結晶的低得多的溫度之間的區域被稱為」無人區「，我們找到了一種方法來拉開"結晶幕"，就足以看清背後發生了什麼或者更正確地說它在下面。

水的相變對於眾多應用的理解很重要。例如冬季混凝土路面和人行道的眾所周知的破壞性起伏是由於混凝土下的水變為冰的相變。在當前工作中描述的液態之間的相變與向冰的過渡有許多共同之處，但它發生在低得多的溫度下，約-90℃（-130°F），並且僅在超冷條件下才發生在可預見的未來可能仍然主要是科學好奇心。安吉爾解釋說：幾年前他和他的研究助理趙佐峰正在研究一種特殊類型的「理想」水溶液的熱行為，他們一直在探索球狀蛋白質的摺疊和展開。他們想要觀察這些解決方案的超級冷卻和玻璃化能力。為了尋求玻璃態域的限制，他們增加了額外的水以增加冰結晶的可能性，並發現當冷卻鹽溶液時通常會發現冰不像結晶冰（留下未凍結溶液）一樣最終演變為熱量，而是實際上釋放加熱形成新的液相。

新液體更粘稠，甚至玻璃狀。此外通過逆轉溫度變化的方向，Angell和Zhao發現，在任何冰塊開始結晶之前，他們可以將新的階段轉換回原始的解決方案。Angewandte Chemie發表的這一觀察結果引起了相當大的興趣，但沒有結構性的信息來解釋發生了什麼。當Angell兩年前訪問了阿姆斯特丹大學時，情況發生了變化，並遇到了紅外光譜學專家桑德爾·沃特森，他對這一現象的結構方面非常感興趣。在科學論文中，與Woutersen他的學生Michiel Hilbers和他的計算同事Bernd Ensing組成的小組現在已經表明，液 - 液過渡中涉及的結構具有相同的光譜特徵 - 和相同的氫鍵模式 - 見由費力的替代工藝（水的高密度和低密度無定形固體相）產生的兩種已知的玻璃狀冰。

液過渡現在被看作是1994年報道的兩種純凈水狀態之間變化的"活生生的類比"，它使用純壓力作為驅動力。結果似乎「提供的純凈水的『結晶幕』背後的液-液過渡的存在的直接證據，該發現提供了液體的熱力異常的一般解釋水，和驗證基斯坦利小組提出的「第二臨界點理論」來解釋這些異常現象。這種行為在眾多已知分子液體中幾乎是獨一無二的，只有少數其他物質被認為是展示它的，但迄今為止沒有任何物質被證明。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Science

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：亞利桑那州立大學

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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