科技日報記者 張佳欣

瑞典斯德哥爾摩大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員借助X射線激光發(fā)現(xiàn)，在約-63℃、1000個大氣壓的過冷條件下，水中存在一個關(guān)鍵臨界點(diǎn)，而這可能正是水諸多“反常”物理性質(zhì)的根源。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《科學(xué)》雜志。

通常情況下，物質(zhì)在冷卻時會收縮，密度隨之增加。但水卻并非如此，冰會漂浮在水面上，而不是像大多數(shù)固體那樣沉入液體之中。

研究人員解釋說，液態(tài)水在4℃時密度最大，因此這一溫度的水總是沉在底部，無論是在一杯水中還是在湖泊和海洋里。當(dāng)溫度從4℃繼續(xù)下降時，水反而開始膨脹。如果將純水繼續(xù)冷卻到0℃以下，在尚未結(jié)冰的情況下，它仍然會繼續(xù)膨脹，而且溫度越低，這種膨脹越明顯。與此同時，水的可壓縮性和熱容等性質(zhì)也會變得越來越“異常”。

幾十年來，科學(xué)界一直試圖解釋這些看似違反直覺的現(xiàn)象。一種重要理論認(rèn)為，在深度過冷狀態(tài)下，水可能存在一個特殊的臨界點(diǎn)，使水能夠在兩種不同的液態(tài)結(jié)構(gòu)之間不斷波動。

研究人員此次借助超短脈沖X射線激光技術(shù)，在水尚未凍結(jié)之前完成瞬間拍照，從而得以觀察水內(nèi)部結(jié)構(gòu)的快速變化過程。結(jié)果顯示，在低溫高壓條件下，水能以兩種不同的液態(tài)結(jié)構(gòu)存在，就像同一種液體卻擁有兩種“內(nèi)部排列方式”。當(dāng)溫度升高、壓力降低時，這兩種液態(tài)之間的界限會逐漸消失，并在臨界點(diǎn)處合二為一。

研究人員比喻說，在臨界點(diǎn)附近，水仿佛在兩種結(jié)構(gòu)之間“猶豫不決”，不斷在不同狀態(tài)及其混合狀態(tài)之間波動。正是這種微觀層面的波動，使常溫下的水表現(xiàn)出許多不同尋常的宏觀性質(zhì)。

研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水接近這一臨界點(diǎn)時，其結(jié)構(gòu)變化的速度會明顯變慢，仿佛一旦進(jìn)入這種狀態(tài)就難以“脫身”。這一現(xiàn)象為理解水在極端環(huán)境中的行為提供了新線索。