科學家在過冷水中發現液-液臨界點存在的證據

這一證據可能解開了冰為何漂浮、以及液態水為何在冷卻至華氏39度以下時膨脹的長期謎團。

瑞典斯德哥爾摩大學的研究人員利用X射線激光，證實了該臨界點存在于零下81華氏度（零下63攝氏度）及約每平方英寸14500磅（1000個大氣壓）的條件下。

這一發現有助于解釋水的反常行為及其獨特性質，包括冰塊為何漂浮，以及液態水為何在溫度降至華氏39度（4攝氏度）以下時膨脹。

斯德哥爾摩大學物理系化學物理學教授安德斯·尼爾森博士表示："特別之處在于，我們能夠在冰凍結前以難以想象的速度進行X射線照射，并觀察到液-液轉變如何消失，以及新的臨界狀態如何形成。"

水的奇異物理特性

盡管水對生命至關重要，但它長期以來一直困擾著科學家，因為它的特性與其他任何物質都不同。水的密度、熱容、可壓縮性和粘度對溫度和壓力變化的響應方式，都違背了典型液體的行為規律。

大多數物質在冷卻時會收縮，因此密度變大。然而，水卻不遵循這一規律。冰會漂浮，而液態水在約華氏39度時密度最大，導致更冷、更密的水下沉。

此外，如果水被冷卻到該溫度以下，它就會開始膨脹。在純凈水冷卻到華氏32度以下時，這種膨脹不僅持續，而且會加速。

尼爾森說："幾十年來，人們一直在推測并提出各種理論來解釋這些非凡的特性，其中一個理論就是存在一個臨界點。現在我們發現這樣的點確實存在。"

為了揭示這種難以捉摸的狀態，研究人員采用了位于韓國的研究設施中的超快X射線激光脈沖。這些脈沖使得有史以來首次能夠在極短的時間尺度上觀察水，其速度之快足以在結冰之前捕捉到水的結構。

斯德哥爾摩大學化學物理學博士生伊阿松·安德羅尼斯對該團隊的成就表示贊賞。"很多人都夢想找到這個臨界點，但在X射線激光器開發出來之前，我們一直缺乏相應的手段。"

檢測到新狀態

實驗表明，在低溫和高壓條件下，水可以以兩種不同的液相存在。這兩種液相的不同之處在于水分子的組織方式和結合方式。在某些條件下，它們之間的區別會完全消失。這兩個相合并的點，就是新近被證實的臨界點。

研究團隊表示，這個臨界點可以解釋水的獨特性質。科學家認為，這些特性源于兩種液態之間的波動，即使在常溫下也是如此。

簡而言之，普通水在微觀層面上不斷變化。條件越接近臨界點，這些波動就越強烈。

研究還發現，水的分子動力學在接近臨界點時顯著減慢。該大學的化學物理學研究員羅賓·泰布爾斯基博士在一份新聞稿中說："看起來，一旦進入臨界點，幾乎就像陷入黑洞一樣無法逃脫。"

尼爾森認為，這一發現解決了一個長期的科學問題，同時也開辟了新的研究途徑。"下一個階段是探究這些發現對于水在物理、化學、生物、地質和氣候相關過程中重要性的影響，"他補充道。"這是未來幾年的一大挑戰。"

該論文已發表在《科學》雜志上。

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