科学家首次观测到极冷液态水以两种显著不同的结构共存，并且这两种结构的比例受温度影响。

艺术想象图。图片来源：zmescience.com

在远低于冰点的极低温度下，水能够以液态形式存在，并且还是两种液体的混合体。

9 月 18 日，这项由美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）完成的研究成果发表在《科学》（Science）杂志上，提供了难得的实验数据来解释水在温度极低的外太空，以及大气稀缺的地球环境等极端条件下表现出的古怪特性。

直到现在，可能达到的最极端温度下的液态水仍是诸多理论与假说争论的对象。一些科学家们迫切地想知道水可不可能在 -83.15℃（190 K）的极低温度下真实存在，过冷水是否只是液态水转化为固相这一过程中的“必经之路”？

“我们的研究结果表明，在极冷温度下液态水不仅仅相对稳定性较好，它还能以两种结构构象存在。” PNNL 的化学物理学家 Greg Kimmel 指出，长期以来，科学家们一直对过冷水是否总在体系达到平衡前结晶这个问题争议不断，新研究成果将他们多年的问号拉直成了感叹号——答案是否定的！

超级过冷水：液体双城记

你或许觉得我们现在已经很了解水了。水覆盖了地球上高达 71% 的面积，是这个星球上分布最广泛、被研究最透彻的物质之一。然而千万别被它单纯的外表骗了：尽管它每个分子仅由 2 个 H 和 1 个 O 组成，看起来十分简单，但 H2O 其实很复杂。

比如，水因为低温而凝固的现象就很“不容易”。水很难在刚好低于熔点的温度结冰，除非有尘埃或其他固体物质作为凝结核供水分子附着，启动结冰过程。因此在纯水中，分子从液态规律排列形成固体需要额外的扰动。神奇的是，与其他液体不同，从液相转化为固相时，它的体积会增大。然而，正是水的这个特性滋养着地球上万物的生长。如果冰块下沉、大气中的水蒸气无法储存热量，那么地球上的生命将不复存在。

水的这种奇妙性质让化学物理学家 Bruce Kay 和 Greg Kimmel 25 年来一直为它痴迷。如今，他们同博士后 Loni Kringle、Wyatt Thornley 终于取得了里程碑式的进展，拓展了人们对液体水分子行为的理解。

为解释水不寻常的性质，科学家们提出了多个模型。通过给过冷水拍“快照”（snapshot）生成定格动画（stop-motion）而获得的新数据显示，它能浓缩成高密度、液体状的结构。这种高密度形式的水与一种低密度结构（与经典水的价键结构一致）共存。随着温度从 -28.15℃ （245 K）降到 -83.15℃（190 K），高密度液体的占比迅速下降，支持了过冷水“混合模型”的预测。

利用红外光谱仪，Kringle 和 Thornley 成功观察到了用激光摧毁一层薄冰时水分子的定格动画。他们发现，在短短几纳秒的时间内，过冷液态水便产生了。

图片来源：Timothy Holland, Pacific Northwest National Laboratory

“一个重要的观测发现是所有结构变化都是可逆、可重复的”， Kringle 在进行了多个实验后总结道。

霰：我是过冷水形成的！

当天气变冷，有时会有小小的白色蓬松颗粒从天而降，这种现象被称为霰。这项研究或许还能解释为什么霰是暴风雪的前兆：霰是雪花与大气上层的过冷液态水相互作用形成的。

图片来源：facebook

“大气层上部的液态水是高度冷却的，” PNNL 实验室成员、水物理学专家 Kay 解释道，“当它碰到雪花时，液态水迅速冷结冰。在合适的条件下向大地飞去。这大概是很多人对过冷水效应的唯一体验了。

除了解释地球上的天气现象，这些研究还有助于理解液态水是如何在木星、土星、天王星和海王星这些寒冷的星球上存在的。另外，当彗星扫过夜空时，它那美丽耀眼的长尾巴也是过冷水蒸汽形成的。

水分子的全能体操

在地球上，对水分子行为的深入理解可以帮助科学家设计新药。毕竟，水分子如同一位体操运动员，可以在拥挤的情况下在蛋白质中灵活穿梭，设法卡进蛋白质的位点。

“每个蛋白周围留给水分子的运动空间并不多，” Kringle 表示，“这项研究阐明了液态水是如何应对紧密堆积的环境的。”

Thornley 还指出，“在今后的研究中，我们可以利用这个新方法来跟踪多种化学反应中的分子重排情况。”

虽然仍有很多未知的事物值得探索，但这些观测结果将使我们对地球生命之源有进一步理解。

论文信息

来源：美国太平洋西北国家实验室（PNNL）

翻译：王千玥

编辑：魏潇 

【标题】Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K

【作者】Loni Kringle, Wyatt A. Thornley, Bruce D. Kay, Greg A. Kimmel

【期刊】Science

【时间】18 Sep 2020

【DOI】10.1126/science.abb7542

【摘要】

A fundamental understanding of the unusual properties of water remains elusive because of the limited data at the temperatures and pressures needed to decide among competing theories. We investigated the structural transformations of transiently heated supercooled water films, which evolved for several nanoseconds per pulse during fast laser heating before quenching to 70 kelvin (K). Water’s structure relaxed from its initial configuration to a steady-state configuration before appreciable crystallization. Over the full temperature range investigated, all structural changes were reversible and reproducible by a linear combination of high- and low-temperature structural motifs. The fraction of the liquid with the high-temperature motif decreased rapidly as the temperature decreased from 245 to 190 K, consistent with the predictions of two-state “mixture” models for supercooled water in the supercritical regime.

【链接】

https://science.sciencemag.org/content/369/6510/1490

原文链接：

https://www.pnnl.gov/news-media/supercooled-water-stable-liquid-scientists-show-first-time