科学家首次证明：过冷水是稳定液体学术资讯

利用脉冲激光加热和红外光谱技术，科学家首次捕捉到了过冷水结构的可逆变化。

《科学》杂志9月18日报道，美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL@DOE）的研究人员首次发现：在远低于典型冰点值的温度下，水仍以液态形式存在。过冷水实际上是两种液体混合而成的。

在外太空或地球大气层远端的极端温度下水会产生一些“奇怪行为”，这项研究为解释这类行为提供了实验数据。关于极端温度下的液态水，目前还有很多谜团。有科学家提出疑问：水是否可能在190开尔文的低温下以液体形式存在？而这种极端温度下水的奇怪行为是否只是其向固态转化前的重排行为？

这些疑问非常重要——地球表面超过70%都被水所覆盖，理解水对环境的调节作用，对人类有重要意义。PNNL化学物理学家Greg Kimmel说：“我们发现，极端低温下的液态水不仅相对稳定，还存在两种结构模式。我们的发现为 ‘深度过冷水在达到平衡之前是否总会结晶’这一长期争议作了定论，答案是否定的。”

要让水在低于融点时结冰是非常困难的，除非水中混入了灰尘或者其他可附着固体。而在纯水中，更需要一种强劲的驱动力，才能将水分子推挤成结冰所需的特殊结构。水在结冰时会膨胀，这与其他液体相比而言十分奇怪。然而，正是这种奇怪的行为维系着地球上的生命：如果冰块下沉或者大气中的水蒸气无法保持热量，地球上的生命就不复存在了。

PNNL科学家Bruce Kay和Kimmel等已经从事水研究长达25年。现在，他们进一步加深了人类对液态水分子的认识。为了解释水的超常特性，科学家提出了各种各样的模型。通过分析过冷水的“定格快照”，研究人员发现过冷水可以凝结成高密度的类液体结构。这种高密度形态与低密度结构共存，非常符合水的典型键合预期。当温度从245开尔文降低至190开尔文，高密度液体的比例迅速下降，这支持了有关过冷水“混合模型”的预测。Kringle解释道：“关键的观察结果是，所有的结构变化都是可逆和可重复的。”

当雪花与高层大气中的过冷水相互作用时，会形成霰。Kay团队的研究可能有助于解释霰的形成。Kay说：“上层大气中的液态水是深度冷却的。当它遇到雪花时，会迅速结冰，然后在条件合适时飘落到地面——这可能是大多数人唯一一次感受过冷水的影响。”

此外，新研究还能帮助科学家分析为何液态水能在木星、土星和海王星等寒冷星球存在。在未来的研究中，研究人员也可以利用此次研究结果跟踪化学反应背后的分子重排现象。不仅如此，更好地理解水在“紧张状态”下的扭曲作用（如单个水分子嵌入蛋白质）也有助于新药设计。

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编译：雷鑫宇

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://phys.org/news/2020-09-supercooled-stable-liquid-scientists.html