來源 美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）
翻譯 王千玥
編輯 魏瀟
直到現(xiàn)在，可能達到的最極端溫度下的液態(tài)水仍是諸多理論與假說爭論的對象。一些科學(xué)家們迫切地想知道水可不可能在 -83.15℃（190 K）的極低溫度下真實存在，過冷水是否只是液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固相這一過程中的“必經(jīng)之路”？
“我們的研究結(jié)果表明，在極冷溫度下液態(tài)水不僅僅相對穩(wěn)定性較好，它還能以兩種結(jié)構(gòu)構(gòu)象存在。” PNNL 的化學(xué)物理學(xué)家 Greg Kimmel 指出，長期以來，科學(xué)家們一直對過冷水是否總在體系達到平衡前結(jié)晶這個問題爭議不斷，新研究成果將他們多年的問號拉直成了感嘆號——答案是否定的！
超級過冷水：液體雙城記
你或許覺得我們現(xiàn)在已經(jīng)很了解水了。水覆蓋了地球上高達 71% 的面積，是這個星球上分布最廣泛、被研究最透徹的物質(zhì)之一。然而千萬別被它單純的外表騙了：盡管它每個分子僅由 2 個 H 和 1 個 O 組成，看起來十分簡單，但 H2O 其實很復(fù)雜。
比如，水因為低溫而凝固的現(xiàn)象就很“不容易”。水很難在剛好低于熔點的溫度結(jié)冰，除非有塵?；蚱渌腆w物質(zhì)作為凝結(jié)核供水分子附著，啟動結(jié)冰過程。因此在純水中，分子從液態(tài)規(guī)律排列形成固體需要額外的擾動。神奇的是，與其他液體不同，從液相轉(zhuǎn)化為固相時，它的體積會增大。然而，正是水的這個特性滋養(yǎng)著地球上萬物的生長。如果冰塊下沉、大氣中的水蒸氣無法儲存熱量，那么地球上的生命將不復(fù)存在。
水的這種奇妙性質(zhì)讓化學(xué)物理學(xué)家 Bruce Kay 和 Greg Kimmel 25 年來一直為它癡迷。如今，他們同博士后 Loni Kringle、Wyatt Thornley 終于取得了里程碑式的進展，拓展了人們對液體水分子行為的理解。
為解釋水不尋常的性質(zhì)，科學(xué)家們提出了多個模型。通過給過冷水拍“快照”（snapshot）生成定格動畫（stop-motion）而獲得的新數(shù)據(jù)顯示，它能濃縮成高密度、液體狀的結(jié)構(gòu)。這種高密度形式的水與一種低密度結(jié)構(gòu)（與經(jīng)典水的價鍵結(jié)構(gòu)一致）共存。隨著溫度從 -28.15℃ （245 K）降到 -83.15℃（190 K），高密度液體的占比迅速下降，支持了過冷水“混合模型”的預(yù)測。
利用紅外光譜儀，Kringle 和 Thornley 成功觀察到了用激光摧毀一層薄冰時水分子的定格動畫。他們發(fā)現(xiàn)，在短短幾納秒的時間內(nèi)，過冷液態(tài)水便產(chǎn)生了。
圖片來源：Timothy Holland， Pacific Northwest National Laboratory
“一個重要的觀測發(fā)現(xiàn)是所有結(jié)構(gòu)變化都是可逆、可重復(fù)的”， Kringle 在進行了多個實驗后總結(jié)道。
霰：我是過冷水形成的！
當天氣變冷，有時會有小小的白色蓬松顆粒從天而降，這種現(xiàn)象被稱為霰。這項研究或許還能解釋為什么霰是暴風(fēng)雪的前兆：霰是雪花與大氣上層的過冷液態(tài)水相互作用形成的。
圖片來源：facebook
“大氣層上部的液態(tài)水是高度冷卻的，” PNNL 實驗室成員、水物理學(xué)專家 Kay 解釋道，“當它碰到雪花時，液態(tài)水迅速冷結(jié)冰。在合適的條件下向大地飛去。這大概是很多人對過冷水效應(yīng)的唯一體驗了。
除了解釋地球上的天氣現(xiàn)象，這些研究還有助于理解液態(tài)水是如何在木星、土星、天王星和海王星這些寒冷的星球上存在的。另外，當彗星掃過夜空時，它那美麗耀眼的長尾巴也是過冷水蒸汽形成的。
水分子的全能體操
在地球上，對水分子行為的深入理解可以幫助科學(xué)家設(shè)計新藥。畢竟，水分子如同一位體操運動員，可以在擁擠的情況下在蛋白質(zhì)中靈活穿梭，設(shè)法卡進蛋白質(zhì)的位點。
“每個蛋白周圍留給水分子的運動空間并不多，” Kringle 表示，“這項研究闡明了液態(tài)水是如何應(yīng)對緊密堆積的環(huán)境的。”
Thornley 還指出，“在今后的研究中，我們可以利用這個新方法來跟蹤多種化學(xué)反應(yīng)中的分子重排情況。”
雖然仍有很多未知的事物值得探索，但這些觀測結(jié)果將使我們對地球生命之源有進一步理解。
