(80)[转载]【水比我们想的还要怪】物理学家刚发现了第二种状态的液态水

物理学家刚发现了第二种状态的液态水

2016年11月25日

 

它是地球上最基本的化合物之一，它占了我们人体的大约60％，可是水却比我们所想像的更陌生。研究人员一直在研究水的物理性质，发现当它被加热到40和60摄氏度之间时，它就会达到「交叉温度」，并似乎开始在两种不同状态的液体之间切换。作为一种化合物，水对地球上的生命至关重要，但是我们一直低估了它的奇特性。我们都已经习惯运用已知的原理，所以很难想像比我们所认识的三种基本状态，固体，液体与气体更複杂的东西。 在非常罕见的情况下，也可以形成等离子体状态。

 

但在许多方面，我们所认识的水其实并不像地球上的任何其他物质。 除了水银，水俱有所有液体的最高表面张力。它也是唯一已知的物质里，可以漂浮在其液体状态的固态，并且与几乎所有其他已知的物质不同的是，当水冻结时水会膨胀。 此外，它也有一个奇特的沸点。其它的氢化物，例如碲化氢 (Hydrogen Telluride)和硫化氢(Hydrogen Sulphide) ，它们的沸点随着其分子量减小而降低，但是对于水这样小的分子量，它却具有令人惊讶的高沸点。「没有人真正了解水的性质」，菲利普·鲍勃 (Philip Ball) 在 Nature中指出。「虽然很尴尬但我们不得不承认，覆盖着我们星球三分之二的水仍然是一个谜，更糟糕的是，我们查的越多，问题就越多，运用新技术来了解更深层次的液态水的分子结构只会酝酿更多谜题」。

 

现在物理学家已经证明，在40和60摄氏度（104和140华氏度）之间的某个点，液态水可以「切换」状态，显示出一组全新的属性，而这属性是取决于它转到的状态。为了解决这问题，来自英国牛津大学的物理学家Laura Maestro领导了一个国际团队来研究水的一些特定属性。他们调查了水的热导率，折射率，电导率，表面张力和介电常数，例如说电场通过物质传播的程度，以及它们对0至100摄氏度温度的波动反应。一旦水达到了40摄氏度，属性开始转变，然后会一直持续转变到60摄氏度。每个属性都有一个在这个阈值内不同的「交叉温度」，而研究人员解释说这是因为液态水已经切换到不同的阶段。

 这团队列出了几个交叉温度。导热率为约64摄氏度，折射率为50摄氏度，导电率为约53摄氏度，表面张力为57摄氏度。「这些结果证实，在0-100摄氏度的范围内，液态水在接近50摄氏度时就会呈现许多属性的交叉温度」，他们总结着。那这里到底发生了什么事？我们还是无法解答，但事实是水可以在两种完全不同的液体状态之间切换。所以这可以解释为什么在某些温度水会有这些不寻常的属性。水分子仅维持在彼此之间一个非常短暂的连接，并且这些氢键实际上远弱于我们分子里所连接单氢与单氧原子的键。由于这个原因，将水分子连接在一起的氢键不断地断裂和重整，而在所有的混乱当中形成有结构化和「规则」的存在。物理学家怀疑这就是为甚么水会有不寻常的属性，但没有人完全确定这是如何运作的。

 

「大家都同意，水的分子结构有一方面使它与大多数其他液体有着很不一样的地方，那就是它拥有短暂的，暂时存在的氢键」，鲍勃写道。「这些连接分子的弱键不断地在比水的熔点还要高的状况下断裂与重整，但仍然可以在分子混杂之中施加一定结构化，这是大家所共识的」。虽然Maestro与她团队的结果需要由另一个独立团队来複制后我们才能开始重写教科书以思考可能存在的四种（或3.5？）状态的水，但他们说他们的发现可能对我们所理解的纳米和生物系统有着很大的影响。「例如，分散在水中的金属（金和银）纳米颗粒的光学性能可以用作纳米探针，此外量子点的发射性质也可以用作荧光生物成像和肿瘤靶的目标。可是它们都是在单一温度范围内显示出这些特性」，他们在文章里写着道。“这也提出了一个问题，温度驱动的水结构变化是否影响水溶液中的生物大分子，尤其是蛋白质，因为这是活细胞中最重要的生存单位。

 

这研究已被发表在International Journal of Nanotechnology。

 来源: Science Alert