图中所示为水的两种不同局部结构区域间的变化
相变：图中所示为液态水两种不同局部结构间的变化
水会以不同的密度存在于两种不同的液相中。这是瑞典、日本和韩国研究人员用超快的X射线散射测量过冷水滴的特性后，所得到的结论。
尽管作为地球上最重要和普遍存在的液体，水依旧是一个非常令人困惑的物质，它带有与理想化液体完全不同的物理属性。人们已经提出几种理论来阐释水的特性，但是实验数据却很少。
固态冰是水在零摄氏度以下时最稳定的一种相，但是液相在零下温度时依然能保持亚稳态。在正常环境下，杂质如灰尘颗粒能提供晶核以使水能够围绕之形成冰晶体，所以结冰发生得很快。但是在实验室里，通过移除杂质使液态水过冷至零摄氏度以下是相对容易的。然而当温度下降至更低时，分子运动减缓并且在大约零下四十摄氏度时，水分子彼此之间开始形成晶体，这种状况使纯净的水也能非常迅速地结晶。
“无人地带”
许多关于液态水的理论预言低温时在高密度液体与低密度液体之间有一个相变。但是，这被估计发生在水的相图中所谓“无人地带”深处的温度和压力下，实验是很难进行的。
在新的研究中，斯德哥尔摩大学（Stockholm University）的Anders Nilsson和同事通过把微米级的水滴分配进真空来进行蒸发冷却。然后用飞秒级别的X射线激光脉冲撞击水滴，这会决定水分子的结构。每个水滴所能达到的温度取决于在被X脉冲射线撞击以前其在真空中运动的距离。
冰晶体在许多水滴中形成，但是研究人员从它们的X射线衍射图样中辨别了它们并且从分析中排除了这种水滴。通过研究纯净液体水滴的衍射图样，研究人员测量了可压缩性是如何随温度变化的，并在负四十四摄氏度时发现了一个最大值。当处在高密度相和低密度相之间的动态平衡时，液体会变得更加软。这是因为增加的压力能够被一些物质在从低密度相转变为高密度相的过程中所化解。研究人员相信，这个可压缩性的最大值出现在转折点附近，液态水在这个转折点由高密度和低密度大致相等比例的局部结构组成。
在低压强下，这相变不是太急剧。相反地，在一个相下面应该有微小波动区域在其它相下的更大区域之内。如果这个模型是正确的，就能解释水在外界环境下异常的特性，因为尽管水主要以高密度相的形式存在，但也会有小的、波动的低密度液体气泡不断地在其内部运动。
牛奶、油和水
通过使用分子动力学仿真将他们的实验数据拟合成理论模型，研究人员认为在高压强下，两种液相之间转折点的温度将会降低。密度波动的长度尺度将也会增加，在八百大气压下会达到一个“临界点”。Nilsson说：“在那种情况下液体将看起来像牛奶，因为波动将会达到一个可散射可见光的长度尺度。”研究人员预测在更高压强和更低温度下，高密度相和低密度相将会完全分开，以至于在一个特定的压强相关的温度下，“在一杯水中将会出现被相界分开的两种不同液体——就像油和水一样。”
意大利Roma Tra大学的Paola Gallo对此印象深刻。“这个小组成功地超越了之前获得的过冷极限，”她说道，“这意味着在未来我们能够进行得更深入。在某些领域，避免结晶是非常重要的，例如其中之一就是低温贮藏。在这些例子中，解决方案会非常实用，所以精确地了解水在过冷阶段中的密度和结构是非常重要的。”
英国卢瑟福?阿普尔顿实验室（Rutherford Appleton Laboratory）的Alan Soper对此很有兴趣但更保持怀疑态度。他指出测量水滴温度的内在困难让得出详尽结论变得困难，他还认为研究人员所测得的可压缩性的增加是非常微小的：“那仅仅是在散射中非常小的一个增加，并且它经过某种最大值……就像它正在进入正要结晶的阶段并且分子正在重排以形成晶体。”他说道，“他们已经清楚地看到了一些东西并且是非常有趣的，”他总结说，“但是真正造成这一现象的原因也许是我们不能直接回答的。”
这项研究被发表于《科学》（Science）杂志。
翻译：邓楚涵
审稿：柯奎宇
原文来自 环球科学
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