-138°C 時(shí)液態(tài)水還存在嗎？物理學(xué)家用 25 年研究實(shí)現(xiàn)「超冷水」里程碑

本文作者：付靜

2020-09-21 18:15

導(dǎo)語(yǔ)：這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)解釋了長(zhǎng)期存在的科學(xué)爭(zhēng)議。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下（1.013×10^5 Pa）水在 0 攝氏度時(shí)會(huì)結(jié)冰。

這是一條很基本的物理規(guī)律。那么，非標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水何時(shí)會(huì)結(jié)冰？水的凝固點(diǎn)最低可以降到什么程度？

實(shí)際上，科學(xué)家們已經(jīng)提出，水可以在遠(yuǎn)低于 0 攝氏度的情況下以液體形式存在。

就在前幾天，美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）物理科學(xué)部又發(fā)現(xiàn)，水不僅能在極冷的溫度下（例如零下 80 度）以液態(tài)形式保持穩(wěn)定性，還能以兩種可逆的結(jié)構(gòu)構(gòu)象存在。

-138°C 時(shí)液態(tài)水還存在嗎？物理學(xué)家用 25 年研究實(shí)現(xiàn)「超冷水」里程碑

超低溫下存在液態(tài)水

2020 年 9 月 18 日，PNNL 團(tuán)隊(duì)將上述研究成果發(fā)表于 Science，論文題為 Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245K（從 135K 到 245K 的超冷液態(tài)水可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變）。

-138°C 時(shí)液態(tài)水還存在嗎？物理學(xué)家用 25 年研究實(shí)現(xiàn)「超冷水」里程碑

數(shù)字后面的 K 代表 Kelvin（開(kāi)爾文），是國(guó)際單位制中的溫度單位，即開(kāi)氏溫標(biāo)，而我們經(jīng)常所說(shuō)的攝氏度是指攝氏溫標(biāo)。

兩種溫標(biāo)的關(guān)系是 [K] = [°C] + 273.15，因此論文中探討的溫度范圍轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)即 -138.15°C 到 -28.15°C。

也就是說(shuō)，即便是在如此低的溫度下，水依然能以液態(tài)形式存在。在論文中，PNNL 團(tuán)隊(duì)科學(xué)家們將其稱為「超冷水」（supercooled water）。

其實(shí)早在 2011 年，一組化學(xué)家就得出結(jié)論——-48°C 時(shí)水一定會(huì)結(jié)冰。

據(jù)新華網(wǎng)報(bào)道，當(dāng)年這一研究團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)表于 Nature：

化學(xué)家們利用計(jì)算機(jī)模擬 32768 個(gè)水分子冷卻時(shí)的情形，經(jīng)過(guò)數(shù)千小時(shí)實(shí)驗(yàn)后結(jié)論得出。-48°C 時(shí)水一定會(huì)結(jié)冰，接近這一溫度時(shí)，其密度、結(jié)構(gòu)也開(kāi)始變化。

當(dāng)前，超低溫下存在液態(tài)水，這一結(jié)論是肯定的，但凝固點(diǎn)最低可以到什么程度，依然是不少科學(xué)家爭(zhēng)論的點(diǎn)。

超冷水包含兩種結(jié)構(gòu)

大眾對(duì)水的了解有多少呢？

無(wú)色無(wú)味透明、化學(xué)式為 H?O、生命的源泉、覆蓋地球表面約 71%、密度為 1g/cm3......

上述信息早已成為常識(shí)，但只知道這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，不過(guò)就連科學(xué)家們也認(rèn)為對(duì)液態(tài)水一些特殊性質(zhì)的理解是難以捉摸的。

其原因正如 PNNL 團(tuán)隊(duì)在論文中所說(shuō)，目前還沒(méi)有充足的溫度和壓力數(shù)據(jù)，很難給出確切的答案，各種理論處于一個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)。

PNNL 團(tuán)隊(duì)表示：

水常常會(huì)顯示出許多異常性質(zhì)，這些性質(zhì)在溫度低到一定程度時(shí)會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。

因此，研究超冷水的性質(zhì)成為了 PNNL 團(tuán)隊(duì)的一個(gè)目標(biāo)。

據(jù)稱，團(tuán)隊(duì)獲取了溫度在 -138.15°C 到 -28.15°C 的超冷水膜紅外光譜，這種光譜是通過(guò)超快速的加熱和冷卻過(guò)程在數(shù)納秒內(nèi)形成的。

具體來(lái)講，團(tuán)隊(duì)研究了瞬時(shí)加熱的超冷水膜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這一結(jié)構(gòu)在快速激光加熱到 -203.15°C 之前，每脈沖演化數(shù)納秒。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：

超冷水由最初較為松弛的結(jié)構(gòu)變化成為結(jié)晶前的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)；
超冷水在 -103.15°C 時(shí)結(jié)晶之前達(dá)到“熱力平衡”（thermally equilibrates）；
在 -138.15°C 到 -28.15°C 范圍內(nèi)，超冷水的結(jié)構(gòu)是一種線性組合。

-138°C 時(shí)液態(tài)水還存在嗎？物理學(xué)家用 25 年研究實(shí)現(xiàn)「超冷水」里程碑

值得一提的是，這種線性組合其實(shí)是由兩種結(jié)構(gòu)組成，即不同密度和溫度的兩種液體，可逆、可重復(fù)。其中，在溫度從 -28.15°C 降至 -83.15°C 時(shí)，溫度較高液體的比例迅速下降。

用 25 年立起的里程碑

PNNL 官網(wǎng)介紹，面對(duì)水的奇特性質(zhì)，化學(xué)物理學(xué)家 Bruce Kay（也是水物理方面的專家）和 Greg Kimmel 已研究了 25 年。終于，二人和兩位博士后 Loni Kringle、Wyatt Thornley 共同推進(jìn)了這一里程碑的實(shí)現(xiàn)，希望能幫助大眾加深對(duì)液態(tài)水結(jié)構(gòu)的理解。

Greg Kimmel 表示：