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科学家首次证明过冷水是一种稳定的液体

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过冷的水实际上是两种液体合而为一。这是美国能源部太平洋西北国家实验室的研究小组在对液态水进行首次测量之后得出的结论,该液态水的温度比典型的冰点低得多。

这项发现今天发表在《科学》杂志上,提供了长期寻求的实验数据,以解释水在外层空间和地球自身大气的极低温下所表现出的某些奇异行为。迄今为止,处于最极端温度的液态水一直是相互竞争的理论和猜想的主题。一些科学家问,在低至-117.7 F(190 K)的温度下,水是否甚至可能真正以液体形式存在,或者奇怪的行为是否只是水在其不可避免的路径上重新排列成固体。

该论点之所以重要,是因为了解覆盖地球71%的水对于了解水如何调节我们的环境,我们的身体和生命本身至关重要。

PNNL的化学物理学家格雷格·金梅尔(Greg Kimmel)表示:“我们证明,在极冷的温度下,液态水不仅相对稳定,而且存在两个结构图案。” “这些发现解释了一个长期存在的争论,那就是过冷的水是否总是在其平衡之前就会结晶。答案是:不会。”

过冷的水:两种液体的故事

您可能认为我们现在已经了解水了。它是地球上最丰富,研究最多的物质之一。但是,尽管它看起来很简单(每个分子有两个氢原子和一个氧原子),但H 2 O却看似复杂。

很难将水冻结在其熔点以下,这出乎意料地困难:水不会冻结,除非它有一些东西可以启动,例如灰尘或其他固体附着。在纯净水中,需要精力充沛的轻推才能将分子推挤成冻结所需的特殊结构。它冻结时会膨胀,与其他液体相比,这是一种怪异的行为。但是那种怪异才是维持地球生命的原因。如果冰块沉没或大气中的水蒸气无法保持温暖,那么我们所知道的地球上的生命将不复存在。

水的怪异行为使化学物理学家布鲁斯·凯(Bruce Kay)和格雷格·金梅尔(Greg Kimmel)占据了25年以上。现在,他们和博士后科学家Loni Kringle和Wyatt Thornley取得了一个里程碑,他们希望这将扩大我们对液态水分子可能产生的扭曲的理解。

已经提出了各种模型来解释水的异常特性。使用过冷水的定格“快照”获得的新数据表明,它可以浓缩成高密度的液体状结构。这种较高密度的形式与较低密度的结构共存,该结构更符合对水的预期键合。随着温度从-18.7 F(245 K)降到-117.7 F(190 K),高密度液体的比例迅速下降,这支持了过冷水“混合”模型的预测。

Kringle和Thornley使用红外光谱技术监视被冰阻挡的水分子,这些水分子被激光打碎时形成了一种定格运动,从而产生了短暂的纳秒级的过冷液态水。

进行许多实验的克林格说:“一个关键的观察是,所有的结构变化都是可逆的和可再现的。”

Graupel:是过冷的水!

这项研究可能有助于解释graupel,这是在凉爽的天气暴风雨期间有时掉落的蓬松颗粒。当雪花与高层大气中的过冷液态水相互作用时,形成胶浆。

PNNL实验室研究员,水物理学专家凯说:“高层大气中的液态水被深深地冷却了。” “当它遇到雪花时,它会迅速结冰,然后在适当的条件下落到地球上。这实际上是大多数人唯一一次体验过冷水效应的时间。”

这些研究还可能有助于了解液态水如何在我们太阳系及其以外的非常寒冷的星球(木星,土星,天王星和海王星)中存在。过冷的水蒸气还产生了引人注目的美丽尾巴,这些尾巴位于彗星后面。

水分子体操

在地球上,如果将水置于狭窄的环境中,例如将单个水分子嵌入蛋白质中,可以更好地理解水的扭曲,可以帮助科学家设计新药物。

克林格说:“围绕单个蛋白质的水分子没有太多空间。” “这项研究可以揭示液态水在密闭环境中的行为。”

索恩利指出:“在未来的研究中,我们可以使用这项新技术来追踪广泛化学反应背后的分子重排。”

还有很多事情要学习,这些测量将有助于引导人们更好地理解地球上最丰富的赋予生命的液体。

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