[科普中國]-科學(xué)家證實水有兩種液相

日本理化學(xué)研究所和瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的研究小組利用日本X射線自由電子激光設(shè)施的激光器SACLA，成功捕捉到過冷狀態(tài)水（H2O）的結(jié)構(gòu)，驗證了水存在液—液相變的臨界點，并能在兩種液相間轉(zhuǎn)變。

生命離不開水，但人們對水的理解尚不完善。水在溫度降低時的密度、熱容量、等溫壓縮率等熱力學(xué)的特征變化與其他液體呈相反狀態(tài)，由此引發(fā)了對水的熱力學(xué)特征的長期爭論，出現(xiàn)了各種假說。其中一種假說認(rèn)為，液態(tài)水具有密度不同的兩個相（物態(tài)），并在兩個相之間搖擺。但是水在溫度下降到接近0℃時（過冷狀態(tài)），狀態(tài)不穩(wěn)，會很快結(jié)冰，因此迄今為止驗證該假說極為困難。

聯(lián)合研究小組利用SACLA對過冷狀態(tài)的水滴進(jìn)行照射，分析了水的結(jié)構(gòu)。SACLA的脈沖寬度為非常短的飛秒級，可以在冷卻水結(jié)冰之前對各個時段的變化進(jìn)行測量。研究小組獲得了水在各種溫度下的數(shù)據(jù)，通過分析被水滴散射的X射線得到了水的結(jié)構(gòu)，并調(diào)查了水冷卻時等溫壓縮率的上升情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等溫壓縮率在-44℃時為最大，低于此溫度時發(fā)生反轉(zhuǎn)；把水中的氫原子（H）置換成重氫原子（D）的重水（D2O），等溫壓縮率溫度為-40℃。這些發(fā)現(xiàn)表明，水存在液—液相變的臨界點，這種相轉(zhuǎn)移影響原子核的量子效應(yīng)。

該研究成果闡釋了水的固有熱力學(xué)形態(tài)的起源，相關(guān)論文已發(fā)表在《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版。