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水不是一种液体?而是两种?
点击次数:301 发布时间:2018-06-13

地球上最珍贵的液体其实是非常奇特的,正是它的奇特之处让我们赖以生存。近期,有实验揭开了水的真面目:水不是一种液体,而是两种

 

把大部分职业生涯都用来研究水的安德斯·尼尔森(Anders Nilsson)表示:“水真的太神奇了。”他的观点我们可能很难理解——毕竟还有什么能比水更普通?它的特性早已人尽皆知,外观也寻常不过,以至于我们被它迷惑,觉得水或多或少和其他的物质是一样的。但实际上,如果不是这样的话我们谁都不会注意到它。

 

比如说,如果 4°C 的水比冰的密度小,那么湖泊和河流就会从底部开始结冰,里面的鱼类也会被逐渐冻死;如果水吸收热量的能力没有那么强,那么我们整颗星球早就沸腾起来了;如果水分子在沿着静脉流淌、透过细胞膜的时候,不能携带足够的化学物质,那么动植物就都会死于营养不良。

 

至少从伽利略时代起,科学家们就一直在探索水的奇异性,但都徒劳无功。直到现在,尼尔森等人的工作终于能让我们对水的特性一窥究竟。他们给出的解释和水本身一样奇妙:水不是一种液体,而是两种。

 

水的示意图/图片来源:Lotus Studio

 

在某种程度上,水有多种的形式,这并不奇怪。根据温度和压强的不同,水有三相:固相、液相和气相。水在海平面上的沸点是 100℃ ;但是在高海拔地区,随着气压的降低,水能够在更低的温度下沸腾——这节省了煮茶的时间,但是煮出来的茶并不好喝。

 

在大多数情况下,液相和气相有明显区别。但增加温度和压强,两相会开始变化。随着压缩程度的增大,气相会表现出液相的性质;同样,随着温度的升高,液相也会逐渐表现出气相的性质。如果压强或温度足够大,直到达到一种称为“临界点”的微妙平衡,你就很难将两相区分开来。只要稍稍降低温度或压强,水就又回到了单相状态。

 

 

普通又神奇的水

这就是为什么水其实是两种液体的原因。不考虑压力的话,几乎所有物质都有一个高温的气-液相转变的临界点,少数材料在存在低温的第二临界点。举例来说,如果你把液态硅和锗的混合物在适当条件下冷却,你能得到一种由两种密度不同的液体组成的“混合液体”。这两种液体原子组成相同但构型不同,因此性质也不一样。

 

尽管第二临界点很特殊,但这仅能做学术研究之用。如果你不是研究液态硅的专家,那你可能并不会注意到这些问题。

 

不过在 1992 年,波士顿大学(Boston University)的彼得·普尔(Peter Poole)和吉恩·斯坦利(Gene Stanley)的团队推翻了传统的观点。先前有实验表明,低温下水的密度会发生起伏,温度越低,密度起伏越大。他们对这一与先前的预测相矛盾的现象很感兴趣。因为通常情况下,温度越低,密度起伏应该越小。

 

为了探究现象背后的微观机制,普尔和斯坦利的团队模拟了水过冷的过程,即小心地将水冷却,保证其在温度低于凝固点时还保持液相。模拟结果显示,过冷的水中确实存在密度起伏,且密度起伏随温度降低而增大。研究变得越来越有意思了。

 

普尔和斯坦利的团队推测这是第二临界点的特征:达到第二临界点时,水会分裂成两种密度不同的液体——每种各为一相;超过这个临界点后,两相难以区分,水会在两相间迅速变化。由于两相性质不同,水在转变成任何一相时都会发生密度的快速改变,从而形成第二临界点。

 

他们认为水可能有两个临界点,这种观点与主流相悖。尼尔森说:“与水有关的一切都存在争议。”大多数研究者认为水的性质可以用更常规的理论来解释。一种观点认为,在非常低的温度下,过冷的水会转变成一种无序的固体,而不是具有晶体结构的冰。还有人认为这种所谓的第二临界点,其实是水凝固时的一种特殊现象。

 

 

迟到了 26 年的证据

普尔和斯坦利的团队很清楚,用实验证实“第二临界点”的设想十分困难,几近不可能。第二临界点的温度在 -45℃,在如此低的温度下过冷的水会自发结晶成冰。斯坦利说:“最大的挑战在于,如何非常非常迅速地将水冷却。设计实验的人需要非常聪明。”

 

瑞典斯德哥尔摩大学的尼尔森无法拒绝这一挑战的诱的惑。他和他的团队多年来一直专注于研究水的奇特性,对普尔和斯坦利两种液体的构想很感兴趣。21 世纪初在室温、常压条件下对水的研究让尼尔森确信,水分子或许存在两种不同的排布:一种是密排无序的,一种具有有序的四面体排布,密度也更低。他的实验表明,在室温条件下,低密度的有序相团簇随机分布在高密度的无序相中。但同事并不认可他的观点。

水分子的排布结构:低密度下的四面体排布(左)和高密度下的无序排布。

 

随后在 2008 年的一系列会议上,他不再局限于外围的研究,认识了许多研究过冷水的同僚。尼尔森很快发现他们的观点可以结合在一起。他说,毕竟水是一种物质:“不能在室温下是一个样子,到了过冷条件下又是另外一个样子。”尼尔森认为机会来了。“这个领域几乎全是理论学家,还没做过什么实验,很适合我去涉足。”

 

尼尔森把证明水存在第二临界点的重点,放在了验证普尔和斯坦利的关键预测上,即过冷的水随着温度变低会产生密度起伏。实验计划很简单:测量出密度起伏,然后通过改变温度来加大起伏的幅度。沿着这条路径——斯坦利将其用一位化学家先驱维多姆(Widom)来命名——最终就能达到第二临界点。罗马第三大学(Roma Tre University)的理论物理学家宝拉·加洛(Paola Gallo)赞同道“:一旦实现了维多姆路径,肯定能观察到临界现象。”

 

 

化学家 Benjamin Widom

 

但是实验做起来却一点也不简单。因为水会在微小的杂质周围凝结成冰晶,尼尔森必须要对抗水凝固的倾向。2017 年,使用韩国*的设备,尼尔森的团队将超纯水滴入真空室中,冷却到了 -45°C 。在水滴滴落的过程中,尼尔森测量了水滴体积的变化,从而得到了水滴密度随压力变化的关系。

 

2017 年 12 月,尼尔森等人发表了实验结果,展示了在过冷水凝固之前抓拍到的照片。同时,研究者认为他们找到了维多姆路径存在的诱人证据,这一路径将引导大家发现第二临界点。

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