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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

由中国科学社于1933年8月创刊,距今已有80年的历史。《科学画报》在80年的办刊历程中,形成了通俗生动、图文并茂地介绍最新科技知识,形式多样地普及科学技术的特点,对提高广大群众的科学水平,启发青年爱好科学、投身科学事业起了很大的作用,当今的不少著名学者、教授、科学家,青少年时代都曾受到它的熏陶和启发。

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水的第二种“身份”

2019-09-10 23:26:00

  不说不知道,水可真奇妙。

  试想,如果冰的密度大于水的话,那么湖泊和河流在冬天就会从底部向上结冰,逐渐杀死里面的生物。如果水没有极好的吸热性能,我们居住的地球早就沸腾了。如果水分子在通过细胞膜或静脉的过程中,不具备携带其他化学物质的能力,所有生物都将死于营养不良。

  具有两面性的水

  科学家早就在不断探究水的奇特性质了,但始终没有太大的收获。直到瑞典斯德哥尔摩大学的安德斯·尼尔森等人公布了他们的最新研究结果:水不是一种液体,而是两种。

  我们都知道,水存在三种形态:固态、液态和气态,这取决于它所处的温度和压强。在海平面上,一个标准大气压(101.375千帕)时,水的沸点是100℃。在高海拔地区,随着气压下降,水会在更低的温度下沸腾,这能够节省煮茶的时间,却会影响茶水的味道。

  多数情况下,液相和气相是不同的。如果改变温度和压强,两相将开始互相转变。将气体进行压缩,它会向液体转变;随着温度升高,液体会向气体转变。当温度和压强达到一个微妙平衡的临界点时,你便难以确定它到底处于哪一相。

  这便是“水是两种液体”观点的理论来源。如果忽略压强的话,几乎所有物质都有一个气相和液相之间的高温临界点,还有少数材料在低温下表现出神秘的第二临界点。例如,如果在适当的条件下冷却液态硅和锗,它们都可以变成两种密度不同的液体,两种液体都由相同的原子组成,但构型不同,因此具有不同的特性。

  尽管第二临界点很特殊,但在学术界却没有引起过多关注。直到1992年,美国波士顿大学彼得·普尔和基因·斯坦利研究团队才改变了这一状况。有实验发现,水的密度在低温时开始波动,而且温度越低,波动越大。他们对这个违反常理的结论很感兴趣。因为通常情况下,物质温度越低,密度波动越小。

  为了探究该现象,普尔和斯坦利将水小心地冷却,使其降低到凝固点以下并保持在液态,该过程被称为过冷。他们的计算机模拟结果支持了密度波动在过冷液体中实际存在的观点,且这种波动随着温度骤降而变大。

  普尔和斯坦利认为这表示水存在第二个临界点,此时水变为两种不同密度的液体——每种液体都是一个独立的相。鉴于它们性质不同,水在达到其临界点转变成任何一相时,都将伴随密度的快速变化。

  他们提出水可能有两个临界点的观点非常出人意料,大多数研究人员认为水的性质可以用常规的理论来解释。一种理论认为在非常低的温度下,过冷水转变成一种无序的固体,其中不包含冰的晶体结构。另一理论认为第二临界点实际上是水冰冻的一种奇特现象。

  寻找第二临界点

  即使普尔和斯坦利推断的第二临界点是对的,用实验证明它也非常棘手。临界点的温度只有-45℃,在这一温度下,过冷水会自发地结晶成冰。实验的困难之处是对水的冷却要非常非常快。

  尼尔森多年来一直致力于研究水的奇特性质,他对普尔和斯坦利提出的两种液体的观点很感兴趣。21世纪初,尼尔森对室温和常压下的水进行了研究,他确信水分子存在两种结构形式:一种是高密度无序的混乱结构,一种是低密度的规则四面体结构。他的实验表明,在一定的环境条件下,低密度液体会漂浮在高密度液体之上。

  2008年,与研究过冷水的同行探讨之后,尼尔森很快意识到他们的想法可以结合起来。他认为,毕竟水是一种物质,不能把它在常温下描述成一种物质,在过冷条件下描述成另一种物质。

  在尼尔森试图证明水有第二临界点的过程中,他重点验证由普尔和斯坦利提出的一个关键预测:过冷水的密度会随着温度降低而开始波动。实验计划很简单:测量密度的波动,然后不断改变条件使它们的波动变大,最终找到第二临界点。

  实际上这个实验并不简单。因为水会在微小的杂质周围快速形成冰晶,尼尔森不得不与结冰现象进行斗争。2017年,尼尔森团队使用先进的设备,将超纯水滴入真空室,并将其冷却至-45℃。随着水滴的下落,尼尔森测量了它们的体积,发现水的密度随压力的变化而改变。

  2017年12月,尼尔森和他的同事发表了实验报告。他们展示了在过冷水自然结冰之前,极短时间内拍下的照片。而且,研究人员说,他们捕捉到了引导人们发现第二临界点的诱人证据。

  但是,很多科学家并不认可尼尔森的观察结论,他们认为关于水的这种现象有多种可能的替代解释,存在第二临界点只是可能中的一种。

  2018年3月,关于第二临界点又有了新的证据。荷兰阿姆斯特丹大学的桑德·沃特森团队采用了不同的方法,尝试用防冻剂来防止水因降温而结冰。他们专门选用一种与水结构相似的防冻剂,将其溶解并与周围的液体混合。随着混合物的冷却,其密度确实发生了突变。因为溶液在结构上与纯水相似,他们认为结果能够表明水确实存在第二个临界点。

  两个团队的实验结论为普尔和斯坦利所做的预测提供了有力的数据支持。

  生命之泉

  如果这个理论是正确的,将会产生深远的影响。英国伦敦南岸大学的马丁·卓别林认为,低温下的这两种结构,很好地解释了我们在常温常压下看到的水的异常现象。例如,低于4℃的液态水密度大于冰,是因为热量使水变成了无序的高密度结构。水之所以具有良好的吸热性能,是因为热量将分子从一种排列转换为另一种排列。水在压力下更容易扩散,是由于在高压下占主导地位的无序结构增加了它的移动性。

  斯坦利认为,鉴于水对我们生存的重要性,水在第二临界点附近大幅度的密度波动甚至可能是有助于生命出现的一个因素。美国普林斯顿大学的德韦内德蒂正在努力验证这一假设。他用计算机模型绘制蛋白质在大范围温度和压强变化下的行为,尤其是第二临界点附近的行为。他最感兴趣的是在极端条件下,蛋白质与高密度和低密度的液态水如何相互作用。

  当然,首先这些假设需要被确认。尼尔森计划在不久后进一步推进第二临界点的研究,进行一个或许能明确解决该问题的实验。如果他成功的话,有关水的种种神秘之处将会被解开。

本文来自《科学画报》

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