新研究为数十年来解释水的新研行奇异行为的理论提供了证据

2021-12-27 17:40:00单裕宽导读对生命如此普通而又至关重要的水，其行为方式令科学家感到困惑。究为解释据例如，数年水为什么冰不像水那么稠密，奇异而是论提漂浮而不是像其他液体冻结时那样沉没呢

对生命如此普通而又至关重要的水，其行为方式令科学家感到困惑。供证例如，新研行为什么冰不像水那么稠密，究为解释据而是数年水漂浮而不是像其他液体冻结时那样沉没呢?

现在，一项新的奇异研究为一个有争议的理论提供了有力的证据，即在非常冷的论提温度下，水可能以两种不同的供证液体形式存在，一种形式的新研行密度较小，而结构形式却比另一种形式的究为解释据更为紧凑。

普林斯顿大学和罗马萨皮恩扎大学的数年水研究人员对水分子进行了计算机模拟，以发现一种液相转变为另一液相的临界点。这项研究于本周发表在“科学”杂志上。

普林斯顿大学研究学院院长Pablo Debenedetti，1950年的工程与应用科学系教授以及化学与生物工程学教授说：“临界点的存在为水的奇特性提供了非常简单的解释。“发现临界点等同于为使水变得奇怪的许多事物找到一个好的，简单的解释，尤其是在低温下。”

水的奇特之处在于，随着水的冷却，它膨胀而不是收缩，这就是为什么冷冻水比液态水密度低的原因。在较低的温度下，水也变得更易压缩(或可压缩)。冷冻时其分子还可以至少排列17种方式。

临界点是温度和压力的唯一值，在该温度和压力下，物质的两相变得无法区分，并且恰好在物质从一相转变为另一相之前发生。

Debenedetti说，临界点的存在很容易解释水的怪异。在物质的性质上感觉到临界点的位置离临界点本身很远。在临界点，分子行为的可压缩性和其他热力学度量(例如热容量)是无限的。

研究小组使用两种不同的计算方法和两种高度逼真的水模型，确定液-液临界点在大约190至170开氏度(约-117至-153华氏度)的范围内，约为2000倍海平面上的大气压。

对于参与数十年探索的研究人员来说，确定临界点是令人满意的一步，以确定对水的异常性质的根本物理解释。几十年前，物理学家提出理论，将水冷却至低于冰点的温度，同时将其保持为液体(高海拔云中出现的“过冷”状态)会在足够高的压力下暴露水的两种独特液体形式。

为了验证这一理论，研究人员转向了计算机模拟。到目前为止，使用现实生活中的水分子进行的实验尚未提供明确的临界点证据，部分原因是过冷的水有迅速结冰的趋势。

罗马Sapienza大学的物理学教授Francesco Sciortino在1992年担任博士后研究员的同时，进行了最早的此类建模研究之一。该研究发表在《自然》杂志上，是第一个提出在两者之间存在临界点的研究。两种液体形式。

这项新发现令Sciortino非常满意，他也是《科学》新研究的合著者。这项新研究使用了当今更快，更强大的研究计算机以及更新，更准确的水模型。即使使用当今功能强大的研究计算机，该模拟也花费了大约1.5年的计算时间。

Sciortino说：“当我们开始看到临界波动正好按照预期的方式运行时，您可以想象到喜悦。”“现在我可以睡个好觉了，因为经过25年的努力，我的最初想法已经得到确认。”

在两种液体形式的水的情况下，两相在低于冰点的温度和足够高的压力下不平衡地共存。随着温度下降，两种液相进行拔河，直到一场胜利，整个液体变成低密度。

在罗马的普林斯顿大学和西奥蒂诺大学的博士后研究员古尔·泽尔兹(GülZerze)进行的模拟中，由于将温度降到了远低于冰点的温度，达到了过冷范围，水的密度如预期的那样剧烈波动。

泽尔泽说，水的某些奇怪行为可能是水赋予生命的特性的背后。“生命的流体是水，但是我们仍然不知道为什么水不能被另一种液体代替。我们认为原因与水的异常行为有关。其他液体没有表现出这些行为，因此必须与作为生命液体的水联系起来。”

之所以出现水的两相，是因为水分子的形状会导致两种堆积方式。在较低密度的液体中，四个分子以称为四面体的几何形状围绕中心第五个分子聚集。在较高密度的液体中，第六个分子被挤压，这具有增加局部密度的作用。

该团队在两种不同的水模型中检测到了临界点。对于每种模型，研究人员对水分子进行两种不同的计算方法以寻找临界点。两种方法都找到了关键点。

彼得·普尔(Peter Poole)是加拿大圣弗朗西斯·泽维尔大学(University of Francis Xavier University)的物理学教授，当他与Sciortino合作并在1992年发表于《自然》(Nature)上时是研究生。他说：“获得这一新结果令人非常欣慰。”“自1992年以来，在现实的水模型中看到另一个明确的液相-液相转变案例，这是一个漫长而有时是孤独的等待。”

亚利桑那州立大学摄政教授C. Austen Angell是1970年代有关过冷水性质的实验的先驱之一。毫无疑问，这是在水物理学模拟中的一项英勇尝试，得出了非常有趣和欢迎的结论，”未参与本研究的安杰尔在一封电子邮件中说。“作为一名能够获得对真实水进行平衡(长期)物理测量的实验学家，我一直感到计算机模拟器可以抢占先机，这是'安全的'。但是，新论文中提供的数据表明，这不再是真的。”