水看起来很复杂:首次测量显示过冷水实际上是两种液体在一起

首次测量提供的证据表明，极冷的液态水存在于两种截然不同的共存结构中，它们的比例取决于温度。

过冷水实际上是两种液体合为一体。这是美国能源部西北太平洋国家实验室的一个研究小组得出的结论。他们首次测量了液态水的温度，其温度远低于其典型冰点。

该发现最近发表在该杂志上科学该研究提供了寻找已久的实验数据，以解释水在外太空和地球大气层深处在极低温度下表现出的一些怪异行为。到目前为止，在最极端的可能温度下的液态水一直是相互竞争的理论和猜想的主题。一些科学家提出疑问，水是否有可能在零下117.7华氏度(190 K)的低温下以液体的形式存在，或者这种奇怪的行为只是水在不可避免地走向固体的道路上的重新排列。

这个论点很重要，因为了解水——覆盖了地球表面的71%——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。

“我们展示了极冷温度下的液态水不仅相对稳定，它存在于两个结构上，”PNNL的化学物理学家Greg Kimmel说。“调查结果解释了一个长期存在的争议，而不是深过冷却水是否始终在平衡之前始终结晶。答案是不。”

过冷水：两个液体的故事

你会以为我们现在已经了解水了。它是地球上最丰富、研究最多的物质之一。尽管看起来很简单——两个氢原子和一个氢原子原子氧原子每分子h₂o是粗俗的复杂性。

水要在熔点以下结冰是非常困难的:除非有什么东西可以让水结冰，比如灰尘或其他固体可以附着，否则水是不会结冰的。在纯水中，需要一个有力的推挤才能将分子挤到结冰所需的特殊排列中。当它结冰时它会膨胀，这和其他液体相比是很奇怪的行为。但地球上的生命正是靠这种怪异维持的。如果冰块下沉或大气中的水蒸气不能保持温度，我们所知的地球上的生命就不会存在。

水的奇怪行为让化学物理学家布鲁斯·凯和格雷格·坎摩尔研究了超过25年。现在，他们和博士后科学家Loni Kringle和Wyatt Thornley已经完成了一个里程碑，他们希望这将扩大我们对液态水分子可以产生的扭曲的理解。

人们提出了各种模型来解释水的不寻常性质。利用过冷水的一种定格“快照”获得的新数据显示，过冷水可以浓缩成高密度的类液体结构。这种高密度的形式与更符合水的典型键合的低密度结构共存。高密度液体的比例随着温度从-18.7 F (245 K)到-117.7 F (190 K)迅速下降，支持了过冷水“混合”模型的预测。

Kringle和Thornley使用红外光谱法在捕获的水分子上以一种止动运动捕获，当薄膜用激光键入时，为几个短暂的纳秒产生过冷液体水。

“一个关键的观察结果是，所有的结构变化都是可逆和可重复的，”做了很多实验的克林格尔说。

霰:这是过冷水!

这项研究可能有助于解释Graupel，蓬松的颗粒有时会在阴凉风暴期间落下。当雪花在高层大气中与过冷液体水相互作用时，格拉蛋白。

“上层大气中的液态水被深度冷却，”凯说，他是PNNL实验室的研究员，也是水物理学方面的专家。“当它遇到雪花时，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影响。”

这些研究也可能有助于理解液态水是如何在非常寒冷的行星上存在的木星,土星,天王星,海王星在我们的太阳系，甚至更远的地方。过冷的水蒸汽也会在彗星后面形成美丽的尾巴。

水分子体操

在地球上，如果能更好地理解水在特殊情况下(比如将一个水分子插入蛋白质中)所表现出的扭曲，就能帮助科学家设计出新的药物。

“围绕个体蛋白质的水分子没有大量空间，”Kringle说。“这项研究可以阐明液体水在紧密包装的环境中的表现方式。”

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。”

还有很多东西要学，这些测量将有助于更好地了解地球上最丰富的生命液体。

参考文献:Loni Kringle, Wyatt A. Thornley, Bruce D. Kay, Greg A. Kimmel, 2020年9月18日的《过冷液态水从135到245 K的可逆结构转变》科学。
DOI: 10.1126 / science.abb7542

这项工作得到了美国能源部，科学办公室的支持。脉冲激光和红外光谱测量在EMSL进行，环境分子科学实验室，一个能源部科学办公室用户设施位于PNNL。