研究人员揭示了水异常属性的起源

时间：2021-07-19 10:52:30 来源：

该图显示了取决于温度的两种不同局部结构（高密度的红色表示液体，低密度的液体作为蓝色）区域之间的波动。当两个结构中的分子数量相等时，观察到热力学响应和相关函数的最大值随温度变化，从而导致深度过冷状态下水的异常性质大大增强。斯德哥尔摩大学

斯德哥尔摩大学的研究人员使用X射线激光能够绘制出冷却后水在两种不同状态之间的波动情况。在-44℃时°，这些波动达到最大，这表明水可以以两种不同的不同液体形式存在。研究结果发表在《科学》杂志上。

与其他物质相比，水是地球上生命中常见和必需的，其行为非常奇怪。水的密度，比热，粘度和可压缩性如何响应压力和温度的变化与我们所知的其他液体完全相反。

我们都知道，所有物质在冷却时都会收缩，从而导致密度增加。因此，我们期望水在冰点处具有高密度。但是，如果我们看着一杯冰水，一切都将倒置，因为我们期望0°C的水被°冰包围，应该在玻璃杯的底部，但是当然，因为我们知道冰块会漂浮。对于液态来说，足够奇怪的是，在4摄氏度时，水是最稠密的，因此无论是在玻璃杯中还是在海洋中，水都停留在底部。

如果将水冷却至4度以下，则水会再次膨胀。如果您继续将纯水（结晶速率较低）冷却至0以下，它会继续膨胀-冷却后，膨胀速度甚至会加快。随着水的冷却，诸如可压缩性和热容量之类的更多特性变得越来越陌生。现在，斯德哥尔摩大学的研究人员借助日本和韩国的X射线激光器上的超短X射线脉冲，成功地确定了水在-44C时达到其奇怪行为的峰值。°

水是独特的，因为它可以两种液态存在，它们具有将水分子结合在一起的不同方式。水在这些状态之间波动，好像无法下定决心，并且这些波动在-44C时达到最大值。°正是这种从一种液态转变为另一种液态的能力赋予水以其非同寻常的特性，并且由于冷却时的波动增加，奇异性也会增加。

斯德哥尔摩大学化学物理教授安德斯•尼尔森（Anders Nilsson）说：“特别之处在于，我们能够在冰冻之前以惊人的速度进行X射线检查，并观察到这两种状态之间的波动情况。“几十年来，一直有各种猜测和不同的理论来解释这些非凡的特性，以及为什么当水变得更冷时它们变得更强。现在我们发现了这样一个最大值，这意味着在更高的压力下也应该有一个临界点。”

这项研究的另一个显着发现是普通水和重水之间的异常特性有所不同，而较轻的水则具有更大的增强作用。斯德哥尔摩大学化学物理学博士后Kyung Hwan Kim说：“此处给出的两种同位素H2O和D2O之间的差异表明了核量子效应的重要性。”

斯德哥尔摩大学化学物理学博士生亚历山大·史派（AlexanderSpäh）表示：“在诸如水等经过广泛研究的主题上进行新发现的可能性非常令人着迷，这为我的进一步研究提供了极大的启发。”

斯德哥尔摩大学化学物理博士后Harshad Pathak说：“能够在如此低温的条件下测量水而不冻结，这真是一个梦想成真。”“世界上已经进行了许多尝试以寻求最大数量。”

“自沃尔夫冈·伦琴（WolfgangRöntgen）的早期工作以来，一个多世纪以来，人们一直在激烈争论水的奇特性质，”安德斯·尼尔森（Anders Nilsson）进一步解释道。“研究水物理学的研究人员现在可以确定水在过冷状态下具有临界点的模型。下一步是找到压力和温度方面的关键位置。未来几年将是一个巨大的挑战。”

这项研究是与斯德哥尔摩皇家理工学院，韩国的PAL-XFEL和日本的SACLA合作完成的。来自斯德哥尔摩大学的研究人员包括来自斯德哥尔摩大学的Kyung Hwan Kim，AlexanderSpäh，Harshad Pathak，Fivos Perakis，Katrin Amann-Winkel和Daniel Mariedahl。

出版物：Kyung Hwan Kim等人，“深冷水的热力学响应和相关函数的最大值”，《科学》，2017年12月22日：卷358，第6370期，第1589-1593页； DOI：10.1126 / science.aap8269

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