太平洋西北国家实验室 科学家利用脉冲激光加热和红外光谱首次捕捉到过冷水结构的可逆变化
学分:蒂莫西·霍兰德，太平洋西北国家实验室 过冷水实际上是两种液体合二为一
这是美国大学的一个研究小组得出的结论
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能源部西北太平洋国家实验室在对温度远低于其典型冰点的液态水进行首次测量后
这一发现发表在今天的《科学》杂志上，它提供了长期寻找的实验数据来解释在外太空和地球大气层的遥远地方发现的极冷温度下水的一些奇怪行为
直到现在，液态水在最极端的温度下一直是相互竞争的理论和猜想的主题
一些科学家问水在低至-117的温度下是否有可能真正以液体的形式存在
7 F (190 K)或奇怪的行为是否只是水在其不可避免的固体路径上重新排列
这个论点很重要，因为理解覆盖地球表面71%的水，对于理解它如何调节我们的环境、我们的身体和生命本身至关重要
PNNL大学的化学物理学家格雷格·金梅尔说:“我们发现，在极冷的温度下，液态水不仅相对稳定，还存在两种结构模式。”
“这些发现解释了一个长期存在的争议，即深度过冷的水在达到平衡之前是否总是会结晶
答案是:不会
" 过冷水:两种液体的故事 你会认为我们现在已经了解水了
它是地球上最丰富和研究最多的物质之一
尽管表面上看起来简单——每个分子中有两个氢原子和一个氧原子——但H2O看起来很复杂
水在熔点以下结冰是非常困难的:除非有什么东西可以让它开始结冰，比如灰尘或其他固体，否则水是不会结冰的
在纯水中，需要能量的推动才能将分子推到冻结所需的特殊排列中
它结冰时会膨胀，与其他液体相比，这是一种奇怪的行为
但这种奇怪是维持地球生命的原因
如果冰块下沉或者大气中的水蒸气没有保持温暖，我们所知道的地球上的生命就不会存在
水的怪异行为让化学物理学家布鲁斯·凯和格雷格·金梅尔忙了25年
现在，他们和博士后科学家罗尼·克林果和怀亚特·索恩利完成了一个里程碑，他们希望这将扩大我们对液态水分子扭曲的理解
人们提出了各种模型来解释水的不同寻常的性质
利用过冷水的一种停止运动“快照”获得的新数据表明，它可以凝结成高密度的液体状结构
这种较高密度的形式与较低密度的结构共存，更符合水的典型结合
高密度液体的比例随着温度从-18迅速降低
7华氏度(245摄氏度)至-117华氏度
7 F (190 K)，支持过冷水“混合物”模型的预测
克林果和索恩利使用红外光谱来监视水分子，当一层薄冰被激光照射时，水分子会停止运动，产生一种过冷的液态水，持续几纳秒
“一个关键的观察是，所有的结构变化都是可逆和可再现的，”进行了许多实验的克林果说
霰:是过冷水！ 这项研究可能有助于解释霰，这种蓬松的颗粒有时会在寒冷天气的风暴中掉落
当雪花与高层大气中过冷液态水相互作用时，霰就形成了
“高层大气中的液态水被深度冷却，”PNNL实验室研究员、水物理学专家凯说
“当遇到雪花时，它会迅速冻结，然后在合适的条件下落到地球上
这是大多数人唯一一次体验过冷水的效果
" 这些研究也可能有助于理解液态水是如何存在于太阳系内外非常冷的行星上的——木星、土星、天王星和海王星
过冷的水蒸气还会产生美丽的尾迹，跟在彗星后面
水分子体操 在地球上，更好地理解水在紧密环境中的扭曲，比如一个水分子楔入一种蛋白质，可以帮助科学家设计新药
“单个蛋白质周围没有太多的水分子空间，”克林果说
“这项研究可以揭示液态水在密集环境中的表现
" 索恩利指出,“在未来的研究中，我们可以使用这种新技术来跟踪一系列化学反应背后的分子重排
" 还有很多东西需要学习，这些测量将有助于更好地理解地球上最丰富的生命液体
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