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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    水的第二種“身份”

                    2019-09-10 23:26:00

                      不說不知道,水可真奇妙。

                      試想,如果冰的密度大于水的話,那么湖泊和河流在冬天就會從底部向上結冰,逐漸殺死里面的生物。如果水沒有極好的吸熱性能,我們居住的地球早就沸騰了。如果水分子在通過細胞膜或靜脈的過程中,不具備攜帶其他化學物質的能力,所有生物都將死于營養不良。

                      具有兩面性的水

                      科學家早就在不斷探究水的奇特性質了,但始終沒有太大的收獲。直到瑞典斯德哥爾摩大學的安德斯·尼爾森等人公布了他們的最新研究結果:水不是一種液體,而是兩種。

                      我們都知道,水存在三種形態:固態、液態和氣態,這取決于它所處的溫度和壓強。在海平面上,一個標準大氣壓(101.375千帕)時,水的沸點是100℃。在高海拔地區,隨著氣壓下降,水會在更低的溫度下沸騰,這能夠節省煮茶的時間,卻會影響茶水的味道。

                      多數情況下,液相和氣相是不同的。如果改變溫度和壓強,兩相將開始互相轉變。將氣體進行壓縮,它會向液體轉變;隨著溫度升高,液體會向氣體轉變。當溫度和壓強達到一個微妙平衡的臨界點時,你便難以確定它到底處于哪一相。

                      這便是“水是兩種液體”觀點的理論來源。如果忽略壓強的話,幾乎所有物質都有一個氣相和液相之間的高溫臨界點,還有少數材料在低溫下表現出神秘的第二臨界點。例如,如果在適當的條件下冷卻液態硅和鍺,它們都可以變成兩種密度不同的液體,兩種液體都由相同的原子組成,但構型不同,因此具有不同的特性。

                      盡管第二臨界點很特殊,但在學術界卻沒有引起過多關注。直到1992年,美國波士頓大學彼得·普爾和基因·斯坦利研究團隊才改變了這一狀況。有實驗發現,水的密度在低溫時開始波動,而且溫度越低,波動越大。他們對這個違反常理的結論很感興趣。因為通常情況下,物質溫度越低,密度波動越小。

                      為了探究該現象,普爾和斯坦利將水小心地冷卻,使其降低到凝固點以下并保持在液態,該過程被稱為過冷。他們的計算機模擬結果支持了密度波動在過冷液體中實際存在的觀點,且這種波動隨著溫度驟降而變大。

                      普爾和斯坦利認為這表示水存在第二個臨界點,此時水變為兩種不同密度的液體——每種液體都是一個獨立的相。鑒于它們性質不同,水在達到其臨界點轉變成任何一相時,都將伴隨密度的快速變化。

                      他們提出水可能有兩個臨界點的觀點非常出人意料,大多數研究人員認為水的性質可以用常規的理論來解釋。一種理論認為在非常低的溫度下,過冷水轉變成一種無序的固體,其中不包含冰的晶體結構。另一理論認為第二臨界點實際上是水冰凍的一種奇特現象。

                      尋找第二臨界點

                      即使普爾和斯坦利推斷的第二臨界點是對的,用實驗證明它也非常棘手。臨界點的溫度只有-45℃,在這一溫度下,過冷水會自發地結晶成冰。實驗的困難之處是對水的冷卻要非常非???。

                      尼爾森多年來一直致力于研究水的奇特性質,他對普爾和斯坦利提出的兩種液體的觀點很感興趣。21世紀初,尼爾森對室溫和常壓下的水進行了研究,他確信水分子存在兩種結構形式:一種是高密度無序的混亂結構,一種是低密度的規則四面體結構。他的實驗表明,在一定的環境條件下,低密度液體會漂浮在高密度液體之上。

                      2008年,與研究過冷水的同行探討之后,尼爾森很快意識到他們的想法可以結合起來。他認為,畢竟水是一種物質,不能把它在常溫下描述成一種物質,在過冷條件下描述成另一種物質。

                      在尼爾森試圖證明水有第二臨界點的過程中,他重點驗證由普爾和斯坦利提出的一個關鍵預測:過冷水的密度會隨著溫度降低而開始波動。實驗計劃很簡單:測量密度的波動,然后不斷改變條件使它們的波動變大,最終找到第二臨界點。

                      實際上這個實驗并不簡單。因為水會在微小的雜質周圍快速形成冰晶,尼爾森不得不與結冰現象進行斗爭。2017年,尼爾森團隊使用先進的設備,將超純水滴入真空室,并將其冷卻至-45℃。隨著水滴的下落,尼爾森測量了它們的體積,發現水的密度隨壓力的變化而改變。

                      2017年12月,尼爾森和他的同事發表了實驗報告。他們展示了在過冷水自然結冰之前,極短時間內拍下的照片。而且,研究人員說,他們捕捉到了引導人們發現第二臨界點的誘人證據。

                      但是,很多科學家并不認可尼爾森的觀察結論,他們認為關于水的這種現象有多種可能的替代解釋,存在第二臨界點只是可能中的一種。

                      2018年3月,關于第二臨界點又有了新的證據。荷蘭阿姆斯特丹大學的桑德·沃特森團隊采用了不同的方法,嘗試用防凍劑來防止水因降溫而結冰。他們專門選用一種與水結構相似的防凍劑,將其溶解并與周圍的液體混合。隨著混合物的冷卻,其密度確實發生了突變。因為溶液在結構上與純水相似,他們認為結果能夠表明水確實存在第二個臨界點。

                      兩個團隊的實驗結論為普爾和斯坦利所做的預測提供了有力的數據支持。

                      生命之泉

                      如果這個理論是正確的,將會產生深遠的影響。英國倫敦南岸大學的馬丁·卓別林認為,低溫下的這兩種結構,很好地解釋了我們在常溫常壓下看到的水的異?,F象。例如,低于4℃的液態水密度大于冰,是因為熱量使水變成了無序的高密度結構。水之所以具有良好的吸熱性能,是因為熱量將分子從一種排列轉換為另一種排列。水在壓力下更容易擴散,是由于在高壓下占主導地位的無序結構增加了它的移動性。

                      斯坦利認為,鑒于水對我們生存的重要性,水在第二臨界點附近大幅度的密度波動甚至可能是有助于生命出現的一個因素。美國普林斯頓大學的德韋內德蒂正在努力驗證這一假設。他用計算機模型繪制蛋白質在大范圍溫度和壓強變化下的行為,尤其是第二臨界點附近的行為。他最感興趣的是在極端條件下,蛋白質與高密度和低密度的液態水如何相互作用。

                      當然,首先這些假設需要被確認。尼爾森計劃在不久后進一步推進第二臨界點的研究,進行一個或許能明確解決該問題的實驗。如果他成功的話,有關水的種種神秘之處將會被解開。

                    本文來自《科學畫報》

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