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科学家初次证明:过冷水是安稳液体

使用脉冲激光加热和红外光谱技能,科学家初次捕捉到了过冷水结构的可逆改变。

《科学》杂志9月18日报导,美国能源部太平洋西北国家试验室的研讨人员初次发现:在远低于典型冰点值的温度下,水仍以液态方式存在。过冷水实际上是两种液体混合而成的。

在外太空或地球大气层远端的极点温度下水会发生一些“古怪行为”,这项研讨为解说这类行为供给了试验数据。关于极点温度下的液态水,现在还有许多疑团。有科学家提出疑问:水是否或许在190开尔文的低温下以液体方式存在?而这种极点温度下水的古怪行为是否仅仅其向固态转化前的重排行为?

这些疑问十分重要——地球表面超越70%都被水所掩盖,了解水对环境的调节效果,对人类有重要意义。PNNL化学物理学家Greg Kimmel说:“咱们发现,极点低温下的液态水不只相对安稳,还存在两种结构形式。咱们的发现为 ‘深度过冷水在到达平衡之前是否总会结晶’这一长时间争议作了结论,答案是否定的。”

要让水在低于融点时结冰是十分困难的,除非水中混入了尘埃或许其他可附着固体。而在纯水中,更需求一种微弱的驱动力,才能将水分子推挤成结冰所需的特别结构。水在结冰时会胀大,这与其他液体比较而言十分古怪。但是,正是这种古怪的行为维系着地球上的生命:假如冰块下沉或许大气中的水蒸气无法坚持热量,地球上的生命就不复存在了。

PNNL科学家Bruce Kay和Kimmel等现已从事水研讨长达25年。现在,他们进一步加深了人类对液态水分子的知道。为了解说水的超凡特性,科学家提出了各式各样的模型。经过剖析过冷水的“定格快照”,研讨人员发现过冷水能够凝结成高密度的类液体结构。这种高密度形状与低密度结构共存,十分契合水的典型键合预期。当温度从245开尔文下降至190开尔文,高密度液体的份额敏捷下降,这支撑了有关过冷水“混合模型”的猜测。Kringle解说道:“要害的调查结果是,全部的结构改变都是可逆和可重复的。”

当雪花与高层大气中的过冷水相互效果时,会构成霰。Kay团队的研讨或许有助于解说霰的构成。Kay说:“上层大气中的液态水是深度冷却的。当它遇到雪花时,会敏捷结冰,然后在条件合当令飘落到地上——这或许是大多数人仅有一次感触过冷水的影响。”

此外,新研讨还能协助科学家剖析为何液态水能在木星、土星和海王星等冰冷星球存在。在未来的研讨中,研讨人员也能够使用此次研讨结果盯梢化学反应背面的分子重排现象。不只如此,更好地了解水在“紧张状态”下的歪曲效果也有助于新药规划。

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