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科学家发现了水的液-液相临界点
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科学家发现了水的液-液相临界点

2020-07-24 11:22 主页 来源:未知
科学家发现了水的液-液相临界点

水,影响着我们生活的方方面面。它塑造了我们居住的自然环境,在我们所知的众多生命所必需的主要物理和化学过程中,扮演中至关重要的角色。水是如此普通,又如此必不可少。然而,有太多与水有关的奇特奥秘,都隐藏在它朴实无华的外表之下。
水有着许多在本质上有别于其他大多数物质的物理特性,其中一些至今困扰着科学家。例如,为什么水在冻结成冰时,体积会膨胀而不是收缩?为什么水在被压缩时,粘性会降低?以及为什么水可以拥有至少17中不同的晶相……
要如何解释这些奇怪的现象?科学家对这些问题已经研究了数十年。1992年,意大利物理学家Francesco Sciortino首次提出了一种理论,他认为在非常低的温度下,水能以两种不同的液体形式存在,其中一种的密度比另一种更小;且在这样两种不同的液相之间,存在一个临界点。
这一开创性的想法被发表在了当时的《自然》杂志上,然而却一直备受争议。因为一直以来,没有人在实验中发现过这种临界点存在的迹象。直到现在,一项新的研究为这种理论提供了强有力的证据,研究结果被刊登在了最近的《科学》杂志上。
在新的研究中,研究人员对两种不同的水的模型进行了分析和研究,这两种模型分别为TIP4P/2005和TIP4P/Ice。为了寻找水的“液-液”临界点,研究人员针对两个模型分别使用了两种不同的计算方法。而这两种方法都显示出了一个处于亚稳态的液-液临界点。
新研究中所建立的模型可以非常精准地描述水的真实行为。然而,运行这样一个模型是非常耗时的,即使研究人员使用的是功能十分强大的计算机进行模拟,他们也耗费了大约1.5年的计算时间才得出了这一结果。从这两个模型来看,当压强大约是海平面大气压的2000倍时,水的液-液临界点分别为172开尔文(TIP4P/2005)和188.6开尔文(TIP4P/Ice),或者说分别为-101℃和-84.5℃。他们相信,这一发现是持续了数十年的为了寻找水的异常性质背后的基本物理原因的重大突破。
最早提出了这一假设的Sciortino也是这项新研究的合著者之一。对于新的发现,他表示他感到无比欣慰。他说:“你可以想象当我们开始看到临界波动完全按照预期的方式运行时的喜悦。现在我终于可以睡个好觉了,因为在25年之后,我最初的想法终于得到了证实。”
几十年前,他提出当水被冷却到低于冰点的温度,并同时维持液体状态(一种在高空云层中出现的“过冷”状态)时,那么在压强足够高的情况下,水会显现出两种独特的液体形式。但是由于过冷的水有迅速冻结成冰的趋势,因此这一现象难以在实验中实现。而在新研究中出现的液-液临界点,是Sciortino漫长而孤独的等待过程中的火光。
现在,研究人员可以在模拟中明确地看到,当水的温度被降低到低于冰点的过冷范围时,水的密度正如预测的那样剧烈波动。这两种相在低于冰点的温度和足够高的压力下共存于一种不稳定的平衡中。当温度继续下降,两种液相就会相互拉扯,直到其中一方胜出,接着整个液体的密度都会变成低。
水之所以可以同时存在两种液相,是因为水分子的形状能以两种形式的结合。在密度较低的液相中,四个水分子会聚集在一个位处中间的第五个水分子周围,形成一个四面体的几何形状;在密度较高的液相中,则还会有第六个分子会挤进来,从而增加了局部密度。
对于水的奇怪特性的研究已经持续了数十年。水是生命的液体,我们好奇于对于生命来说,为什么水是如此的不可替代。有科学家认为,水之所以能成为生命的源泉,或许与它的那些异常行为有关,因为这些是其他液体所不具备的。而这类对水的奇异特性的研究,或许有天能为我们理解生命的起源带来新的见解。
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