過冷的水實(shí)際上是兩種液體合而為一。這是美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的研究小組在對(duì)液態(tài)水進(jìn)行首次測量之后得出的結(jié)論，該液態(tài)水的溫度比典型的冰點(diǎn)低得多。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)今天發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，提供了長期尋求的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以解釋水在外層空間和地球自身大氣的極低溫下所表現(xiàn)出的某些奇異行為。迄今為止，處于最極端溫度的液態(tài)水一直是相互競爭的理論和猜想的主題。一些科學(xué)家問，在低至-117.7 F(190 K)的溫度下，水是否甚至可能真正以液體形式存在，或者奇怪的行為是否只是水在其不可避免的路徑上重新排列成固體。

該論點(diǎn)之所以重要，是因?yàn)榱私飧采w地球71%的水對(duì)于了解水如何調(diào)節(jié)我們的環(huán)境，我們的身體和生命本身至關(guān)重要。

PNNL的化學(xué)物理學(xué)家格雷格·金梅爾(Greg Kimmel)表示：“我們證明，在極冷的溫度下，液態(tài)水不僅相對(duì)穩(wěn)定，而且存在兩個(gè)結(jié)構(gòu)圖案。” “這些發(fā)現(xiàn)解釋了一個(gè)長期存在的爭論，那就是過冷的水是否總是在其平衡之前就會(huì)結(jié)晶。答案是：不會(huì)。”

過冷的水：兩種液體的故事

您可能認(rèn)為我們現(xiàn)在已經(jīng)了解水了。它是地球上最豐富，研究最多的物質(zhì)之一。但是，盡管它看起來很簡單(每個(gè)分子有兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子)，但H 2 O卻看似復(fù)雜。

很難將水凍結(jié)在其熔點(diǎn)以下，這出乎意料地困難：水不會(huì)凍結(jié)，除非它有一些東西可以啟動(dòng)，例如灰塵或其他固體附著。在純凈水中，需要精力充沛的輕推才能將分子推擠成凍結(jié)所需的特殊結(jié)構(gòu)。它凍結(jié)時(shí)會(huì)膨脹，與其他液體相比，這是一種怪異的行為。但是那種怪異才是維持地球生命的原因。如果冰塊沉沒或大氣中的水蒸氣無法保持溫暖，那么我們所知道的地球上的生命將不復(fù)存在。

水的怪異行為使化學(xué)物理學(xué)家布魯斯·凱(Bruce Kay)和格雷格·金梅爾(Greg Kimmel)占據(jù)了25年以上?，F(xiàn)在，他們和博士后科學(xué)家Loni Kringle和Wyatt Thornley取得了一個(gè)里程碑，他們希望這將擴(kuò)大我們對(duì)液態(tài)水分子可能產(chǎn)生的扭曲的理解。

已經(jīng)提出了各種模型來解釋水的異常特性。使用過冷水的定格“快照”獲得的新數(shù)據(jù)表明，它可以濃縮成高密度的液體狀結(jié)構(gòu)。這種較高密度的形式與較低密度的結(jié)構(gòu)共存，該結(jié)構(gòu)更符合對(duì)水的預(yù)期鍵合。隨著溫度從-18.7 F(245 K)降到-117.7 F(190 K)，高密度液體的比例迅速下降，這支持了過冷水“混合”模型的預(yù)測。

Kringle和Thornley使用紅外光譜技術(shù)監(jiān)視被冰阻擋的水分子，這些水分子被激光打碎時(shí)形成了一種定格運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了短暫的納秒級(jí)的過冷液態(tài)水。

進(jìn)行許多實(shí)驗(yàn)的克林格說：“一個(gè)關(guān)鍵的觀察是，所有的結(jié)構(gòu)變化都是可逆的和可再現(xiàn)的。”

Graupel：是過冷的水!

這項(xiàng)研究可能有助于解釋graupel，這是在涼爽的天氣暴風(fēng)雨期間有時(shí)掉落的蓬松顆粒。當(dāng)雪花與高層大氣中的過冷液態(tài)水相互作用時(shí)，形成膠漿。

PNNL實(shí)驗(yàn)室研究員，水物理學(xué)專家凱說：“高層大氣中的液態(tài)水被深深地冷卻了。” “當(dāng)它遇到雪花時(shí)，它會(huì)迅速結(jié)冰，然后在適當(dāng)?shù)臈l件下落到地球上。這實(shí)際上是大多數(shù)人唯一一次體驗(yàn)過冷水效應(yīng)的時(shí)間。”

這些研究還可能有助于了解液態(tài)水如何在我們太陽系及其以外的非常寒冷的星球(木星，土星，天王星和海王星)中存在。過冷的水蒸氣還產(chǎn)生了引人注目的美麗尾巴，這些尾巴位于彗星后面。

水分子體操

在地球上，如果將水置于狹窄的環(huán)境中，例如將單個(gè)水分子嵌入蛋白質(zhì)中，可以更好地理解水的扭曲，可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)新藥物。

克林格說：“圍繞單個(gè)蛋白質(zhì)的水分子沒有太多空間。” “這項(xiàng)研究可以揭示液態(tài)水在密閉環(huán)境中的行為。”

索恩利指出：“在未來的研究中，我們可以使用這項(xiàng)新技術(shù)來追蹤廣泛化學(xué)反應(yīng)背后的分子重排。”

還有很多事情要學(xué)習(xí)，這些測量將有助于引導(dǎo)人們更好地理解地球上最豐富的賦予生命的液體。