-138°C 時液態水還存在嗎？物理學家用 25 年研究實現「超冷水」里程碑

引用標準大氣壓下（1.013×10^5 Pa）水在 0 攝氏度時會結冰。

這是一條很基本的物理規律。那麼，非標準大氣壓下水何時會結冰？水的凝固點最低可以降到什麼程度？

實際上，科學家們已經提出，水可以在遠低於 0 攝氏度的情況下以液體形式存在。

就在前幾天，美國太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）物理科學部又發現，水不僅能在極冷的温度下（例如零下 80 度）以液態形式保持穩定性，還能以兩種可逆的結構構象存在。

超低温下存在液態水

2020 年 9 月 18 日，PNNL 團隊將上述研究成果發表於 Science，論文題為 Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245K（從 135K 到 245K 的超冷液態水可逆結構轉變）。


數字後面的 K 代表 Kelvin（開爾文），是國際單位制中的温度單位，即開氏温標，而我們經常所説的攝氏度是指攝氏温標。

兩種温標的關係是 [K] = [°C] + 273.15，因此論文中探討的温度範圍轉換過來即 -138.15°C 到 -28.15°C。

也就是説，即便是在如此低的温度下，水依然能以液態形式存在。在論文中，PNNL 團隊科學家們將其稱為「超冷水」（supercooled water）。

其實早在 2011 年，一組化學家就得出結論——-48°C 時水一定會結冰。

據新華網報道，當年這一研究團隊的論文發表於 Nature：

引用化學家們利用計算機模擬 32768 個水分子冷卻時的情形，經過數千小時實驗後結論得出。-48°C 時水一定會結冰，接近這一温度時，其密度、結構也開始變化。

當前，超低温下存在液態水，這一結論是肯定的，但凝固點最低可以到什麼程度，依然是不少科學家爭論的點。
超冷水包含兩種結構

大眾對水的了解有多少呢？

無色無味透明、化學式為 H₂O、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，但只知道這些是遠遠不夠的，不過就連科學家們也認為對液態水一些特殊性質的理解是難以捉摸的。

其原因正如 PNNL 團隊在論文中所説，目前還沒有充足的温度和壓力數據，很難給出確切的答案，各種理論處於一個相互競爭的狀態。

PNNL 團隊表示：

引用水常常會顯示出許多異常性質，這些性質在温度低到一定程度時會進一步增強。

因此，研究超冷水的性質成為了 PNNL 團隊的一個目標。

據稱，團隊獲取了温度在 -138.15°C 到 -28.15°C 的超冷水膜紅外光譜，這種光譜是通過超快速的加熱和冷卻過程在數納秒內形成的。
具體來講，團隊研究了瞬時加熱的超冷水膜的結構轉變，這一結構在快速激光加熱到 -203.15°C 之前，每脈衝演化數納秒。

經研究發現：

• 超冷水由最初較為鬆弛的結構變化成為結晶前的穩態結構；
• 超冷水在 -103.15°C 時結晶之前達到“熱力平衡”（thermally equilibrates）；
• 在 -138.15°C 到 -28.15°C 範圍內，超冷水的結構是一種線性組合。

值得一提的是，這種線性組合其實是由兩種結構組成，即不同密度和温度的兩種液體，可逆、可重複。其中，在温度從 -28.15°C 降至 -83.15°C 時，温度較高液體的比例迅速下降。
用 25 年立起的里程碑

PNNL 官網介紹，面對水的奇特性質，化學物理學家 Bruce Kay（也是水物理方面的專家） 和 Greg Kimmel 已研究了 25 年。終於，二人和兩位博士後 Loni Kringle、Wyatt Thornley 共同推進了這一里程碑的實現，希望能幫助大眾加深對液態水結構的理解。

Greg Kimmel 表示：

引用液態水在極端低温下不僅相對穩定，而且存在兩種結構模式。這解釋了一個長期存在的科學爭議，即超冷水在達到平衡狀態之前是否總會結晶——答案是否。

雷鋒網注意到，這一發現的意義還不只如此。

第一，這項研究有助於解釋霰（xiàn），即一種在寒冷天氣中降落的白色不透明小冰粒（如下圖所示）。


Bruce Kay 認為，當雪花與高層大氣中的超冷水相互作用時，就會形成霰。

第二，這項研究能幫助我們理解液態水是如何存在於異常寒冷的太陽系或系外行星上的（如木星、土星、天王星和海王星）。

PNNL 官方也表示：

引用這一發現是長期以來人們一直在尋找的實驗數據，它解釋了為何液態水會在外太空或地球上的極端低温下表現出一些奇特性質。

第三，深入了解液態水的狀態變化，尤其是在緊張狀態下受到扭曲時（如單個水分子嵌入蛋白質），可幫助科學家設計新葯。正如 Wyatt Thornley 所説：

引用未來的研究中，我們可以通過這項新技術跟蹤一系列化學反應背後的分子重排。

引用來源：

https://science.sciencemag.org/content/369/6510/1490
https://www.pnnl.gov/news-media/supercooled-water-stable-liquid-scientists-show-first-time

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資料來源：雷鋒網
作者/編輯：付靜