過冷的水實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驗室的研究小組在對液態(tài)水進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低得多。

這項發(fā)現(xiàn)今天發(fā)表在《科學》雜志上，提供了長期尋求的實驗數(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。

該論點之所以重要，是因為了解覆蓋地球71%的水對于了解水如何調(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的化學物理學家格雷格·金梅爾(Greg Kimmel)表示：“我們證明，在極冷的溫度下，液態(tài)水不僅相對穩(wěn)定，而且存在兩個結(jié)構(gòu)圖案。” “這些發(fā)現(xiàn)解釋了一個長期存在的爭論，那就是過冷的水是否總是在其平衡之前就會結(jié)晶。答案是：不會。”

過冷的水：兩種液體的故事

您可能認為我們現(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(每個分子有兩個氫原子和一個氧原子)，但H 2 O卻看似復雜。

很難將水凍結(jié)在其熔點以下，這出乎意料地困難：水不會凍結(jié)，除非它有一些東西可以啟動，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)時會膨脹，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存在。

水的怪異行為使化學物理學家布魯斯·凱(Bruce Kay)和格雷格·金梅爾(Greg Kimmel)占據(jù)了25年以上。現(xiàn)在，他們和博士后科學家Loni Kringle和Wyatt Thornley取得了一個里程碑，他們希望這將擴大我們對液態(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)更符合對水的預期鍵合。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形成了一種定格運動，從而產(chǎn)生了短暫的納秒級的過冷液態(tài)水。

進行許多實驗的克林格說：“一個關(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!

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

PNNL實驗室研究員，水物理學專家凱說：“高層大氣中的液態(tài)水被深深地冷卻了。” “當它遇到雪花時，它會迅速結(jié)冰，然后在適當?shù)臈l件下落到地球上。這實際上是大多數(shù)人唯一一次體驗過冷水效應的時間。”

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，可以幫助科學家設(shè)計新藥物。

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

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

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