2020-09-22 09:08:28 来源超冷水：科技日报
零下八十摄氏度超冷水，水以液态形式存在
有助解释极端环境下水的异常特性
科技日报北京9月21日电 （记者刘霞）美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员在最新一期《科学》杂志撰文指出超冷水，他们首次对超冷水进行测量后发现，在零下80摄氏度的极低温度下，水以液态形式存在，且由两种液体混合而成。最新研究增加了我们对水的深层了解，也可以帮助科学家解释液态水为何能在木星、土星等冰冻星球上存在。
研究人员指出，有关处于最极端温度之下液态水的行为，科学家迄今已提出了诸多假设。比如，有科学家想知道，在零下83.15摄氏度的极低温度下，水是否能以液体形式存在。厘清这些问题非常重要，因为水覆盖地球71％的面积，深入了解水对于我们洞悉其如何调节环境、我们的身体乃至生命本身都至关重要。
PNNL化学物理学家格雷格·金梅尔说：“我们的研究证明，在极冷温度下，液态水不仅相对稳定，而且由两种结构混合而成。”
25年来，金梅尔和同事布鲁斯·凯一直在研究水的古怪行为。他们提出了各种模型来解释水的异常特性。在最新研究中，他们使用红外光谱技术，成功观察到了用激光摧毁一层薄冰时水分子的定格运动，制造出了持续时间仅几纳秒的超冷液态水。
他们使用超冷水的定格“快照”获得的新数据表明，超冷水可以凝结成致密的类似液体的结构。这种较高密度的结构与较低密度的结构共存。随着温度从零下28.15摄氏度降至零下83.15摄氏度，高密度液体的比例迅速下降，表明零下83.15摄氏度的水由两种结构混合而成。
金梅尔表示，这项研究可能有助于解释霰是如何形成的。在冷天暴风雪发生前，有时会有小小的白色蓬松颗粒从天而降，这种现象被称为霰。他们的研究表明，霰由雪花与大气上层的超冷液态水相互作用形成。
这些研究还可能有助于了解液态水如何在太阳系内的冰冻星球——木星、土星、天王星和海王星上存在；此外，超冷的水蒸气还形成了彗星身后引人注目的彗尾。
研究人员称，新研究可以揭示液态水在密闭环境中的行为，未来他们也可以借助这项研究中用到的技术，追踪各种化学反应背后分子如何重新排列。
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水，似乎一眼就能被看穿，但深究起来就会发现，它可真不简单。一个H两个O，这么平淡无奇的构成也能玩出各种花样。它神秘，又奇特。比如，纯水很难在刚好低于冰点的温度结冰，而且在液相转化为固相时，水的体积不是缩小，而是增大。人们一直很想知道，低温状态下的水分子究竟如何行动。新研究显示，超低温下的水由两种完全不同的结构混合而成。水太重要，它被认为是生命的起源。那么，在寒冷星球上，是不是也有以千奇百怪方式存在的液态水呢？
编辑：高爽
这些冰的存在超出了地球极限！
美国能源部橡树岭国家实验室科学家们通过一项旨在创造超冷水状态的实验，利用中子散射技术，发现了一条通往意想不到致密冰晶相形成的途径，这些冰晶相的存在超出了地球极限。对这些被称为冰IX、冰XV和冰VIII特殊结晶冰晶相的观察，挑战了关于超冷水和非晶冰的公认理论。研究人员在《自然》(Nature)上发表的这一发现，还将有助于更好地了解在其他行星、卫星和太空其他地方发现的冰及其不同阶段。
ORNL中子散射科学家、第一作者克里斯·图克(Chris Tulk)说：氢和氧是宇宙中最丰富的元素之一，这两种元素中最简单的分子化合物H2O很常见。事实上，一个流行的理论表明，地球上的大部分水是通过与冰彗星的碰撞而来到地球。在地球上，当水分子达到0摄氏度时，它们进入一个较低的能量状态，并稳定在一个六角形的晶格上。这种冻结形式被称为冰Ⅲ，是家庭冰柜或溜冰场中最常见的水相。冰IX、冰XV和冰VIII是至少17个冰相中的3个。
当分子在不同的超低温和高压下重组成稳定的晶体结构时，就会形成冰相。当冰发生相变时，它就像水从气体变成液体变成固体一样，除了在低温和高压下，冰会在各种不同的固体形式之间转变。在压力-温度稳定范围内，每个已知的冰相都有其独特晶体结构，分子达到平衡，水分子呈现规则的三维格局，结构趋于稳定。起初，Tulk和加拿大国家研究委员会和加州大学洛杉矶分校的同事们正在探索非晶冰的结构本质，当它在更高的压力下再结晶时。为了制造无定形冰，科学家们将水冷冻到一个高压设备中
该设备被冷却到- 173摄氏度，并被加压到大约10000个大气压，即每平方英寸14.7万磅(汽车轮胎膨胀到每平方英寸32磅)。这种非晶态冰被认为与液态水有关，了解这种联系是这项研究的初衷。在ORNL的散裂中子源，研究小组冻结了一个3毫米的球体，约半滴水，氘化水，其中有一个额外的中子在氢核中，需要中子散射分析。然后将散裂中子和压力(SNAP)衍射仪的程序设置为零下173摄氏度。该仪器每隔几小时就会逐步增加压力，最高可达每平方英寸41.1万磅(合2.8万个大气压)
同时在每次压力升高之间收集中子散射数据。一旦获得了非晶态冰，计划提高温度和压力，观察非晶态冰‘融化’成过冷液体，然后再重新结晶时的局部分子顺序。”在分析了数据之后，惊奇地发现，并没有创造出无定形的冰，而是由密度不断增加的四种冰相(从冰Ih到IX冰，从XV冰到XIII冰)所经历的一系列晶体转变，根本没有无定形冰的迹象。来自加拿大国家研究委员会(National Research Council of Canada)的丹尼斯·克鲁格(Dennis Klug)说：
我一直通过在低温下压缩冰来制作这些样品，以前从未见过这种压力-温度路径导致了一系列这样的结晶形态。如果实验数据是正确的，这将意味着非晶冰与液态水无关，而是两个晶态之间的不连续转变，这与广泛接受的理论大相径庭。起初，研究小组认为观察结果是受污染的样本。在SNAP上，又进行了三次实验，使用新鲜、经过仔细处理的样品，得到了相同的结果，在没有形成无定形冰的情况下，再次确认了结构转变的顺序。
关键是缓慢的压力增加速度和在较低压力下收集的数据，使冰结构放松，成为稳定的冰IX形式。之前的实验快速通过了冰IX结构而没有弛豫，这导致了非晶态相。35年来科学家们一直在研究超冷水的特性，寻找第二个临界点，也就是埋藏在固态冰中的临界点。但这些结果质疑了它的存在。压力引起的非晶冰和水之间的关系现在还不确定，第二个临界点甚至可能不存在。研究结果将为将来在SNS进行的实验中分析非晶冰相的研究奠定基础。
博科园｜研究/来自：橡树岭国家实验室
参考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1204-5
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