科學(xué)家在過冷水中發(fā)現(xiàn)液-液臨界點(diǎn)存在的證據(jù)

這一證據(jù)可能解開了冰為何漂浮、以及液態(tài)水為何在冷卻至華氏39度以下時(shí)膨脹的長期謎團(tuán)。

瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的研究人員利用X射線激光，證實(shí)了該臨界點(diǎn)存在于零下81華氏度（零下63攝氏度）及約每平方英寸14500磅（1000個(gè)大氣壓）的條件下。

這一發(fā)現(xiàn)有助于解釋水的反常行為及其獨(dú)特性質(zhì)，包括冰塊為何漂浮，以及液態(tài)水為何在溫度降至華氏39度（4攝氏度）以下時(shí)膨脹。

斯德哥爾摩大學(xué)物理系化學(xué)物理學(xué)教授安德斯·尼爾森博士表示："特別之處在于，我們能夠在冰凍結(jié)前以難以想象的速度進(jìn)行X射線照射，并觀察到液-液轉(zhuǎn)變?nèi)绾蜗В约靶碌呐R界狀態(tài)如何形成。"

水的奇異物理特性

盡管水對(duì)生命至關(guān)重要，但它長期以來一直困擾著科學(xué)家，因?yàn)樗奶匦耘c其他任何物質(zhì)都不同。水的密度、熱容、可壓縮性和粘度對(duì)溫度和壓力變化的響應(yīng)方式，都違背了典型液體的行為規(guī)律。

大多數(shù)物質(zhì)在冷卻時(shí)會(huì)收縮，因此密度變大。然而，水卻不遵循這一規(guī)律。冰會(huì)漂浮，而液態(tài)水在約華氏39度時(shí)密度最大，導(dǎo)致更冷、更密的水下沉。

此外，如果水被冷卻到該溫度以下，它就會(huì)開始膨脹。在純凈水冷卻到華氏32度以下時(shí)，這種膨脹不僅持續(xù)，而且會(huì)加速。

尼爾森說："幾十年來，人們一直在推測(cè)并提出各種理論來解釋這些非凡的特性，其中一個(gè)理論就是存在一個(gè)臨界點(diǎn)。現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)這樣的點(diǎn)確實(shí)存在。"

為了揭示這種難以捉摸的狀態(tài)，研究人員采用了位于韓國的研究設(shè)施中的超快X射線激光脈沖。這些脈沖使得有史以來首次能夠在極短的時(shí)間尺度上觀察水，其速度之快足以在結(jié)冰之前捕捉到水的結(jié)構(gòu)。

斯德哥爾摩大學(xué)化學(xué)物理學(xué)博士生伊阿松·安德羅尼斯對(duì)該團(tuán)隊(duì)的成就表示贊賞。"很多人都?jí)粝胝业竭@個(gè)臨界點(diǎn)，但在X射線激光器開發(fā)出來之前，我們一直缺乏相應(yīng)的手段。"

檢測(cè)到新狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)表明，在低溫和高壓條件下，水可以以兩種不同的液相存在。這兩種液相的不同之處在于水分子的組織方式和結(jié)合方式。在某些條件下，它們之間的區(qū)別會(huì)完全消失。這兩個(gè)相合并的點(diǎn)，就是新近被證實(shí)的臨界點(diǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這個(gè)臨界點(diǎn)可以解釋水的獨(dú)特性質(zhì)。科學(xué)家認(rèn)為，這些特性源于兩種液態(tài)之間的波動(dòng)，即使在常溫下也是如此。

簡而言之，普通水在微觀層面上不斷變化。條件越接近臨界點(diǎn)，這些波動(dòng)就越強(qiáng)烈。

研究還發(fā)現(xiàn)，水的分子動(dòng)力學(xué)在接近臨界點(diǎn)時(shí)顯著減慢。該大學(xué)的化學(xué)物理學(xué)研究員羅賓·泰布爾斯基博士在一份新聞稿中說："看起來，一旦進(jìn)入臨界點(diǎn)，幾乎就像陷入黑洞一樣無法逃脫。"

尼爾森認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)解決了一個(gè)長期的科學(xué)問題，同時(shí)也開辟了新的研究途徑。"下一個(gè)階段是探究這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于水在物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)和氣候相關(guān)過程中重要性的影響，"他補(bǔ)充道。"這是未來幾年的一大挑戰(zhàn)。"

該論文已發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

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