|
印度和意大利的研究人员说他们发现了冰点以下液态水的两种新的形态。这两种液态水是否存在曾经受到长期质疑。 水无疑是一种非常奇怪的液体。与大多数液体不同，水的密度在冻结时不是增加而是下降。水密度最高的时候不是在0摄氏度，而是在4摄氏度。水的这种特殊现象对于自然环境有无比重要的意义——因为冰总是浮在水面上，所以湖水不会由湖底到湖面冻结成一个大冰块，水中生物因而得以生存。 这种特殊现象与水分子之间的化学键有关。水分子之间的化学键称为氢键，氢键使得水分子彼此联系。在结冰后，氢键支撑起冰晶的骨架，因而在水分子之间留下大量空间，这就是为什么水在凝结后反而密度下降的原因。 1992年，波士顿大学的Stanley与他的研究伙伴一起完成了对水的数值模拟。模拟结果显示，在非常冷的温度和很高的压强下，有可能存在水的两种形态。在一种形态中，水分子排列成松散的网格，并因而具有较低的密度，这种水称为低密度液体。另一种形态中，水分子被压迫的过于厉害，以至于水分子之间的氢键被破坏，并导致密度上升，称为高密度液体。 Stanley们发现这两种模态之间存在界线分明的相变过程，就象0摄氏度是水和冰的界线一样。他们认为，水的密度在4摄氏度时达到最大就是低密度和高密度水在更低的温度下竞相发生相变的结果。 现在意大利皮萨大学的Dino Leporini与远在班加罗尔印度科学研究所的合作者们声称，他们已经发现Stanley在1992年时提到的两种模态。 面对他们的发现，专家们分成两伙。Stanley说这是一项“杰出的”的发现，但是普林斯顿大学的流体物理专家Pablo Debenedetti则说这项研究成果虽然有趣，但并不是大家长期寻找的那种在特定的温度和压强下彼此转换的液态水。 这项研究成果之所以受到质疑，首先是因为在实验室中很难在Stanley提出的条件下得到这两种液态水——在达到存在这两种液态水的摄氏零下75度之前水早就凝固了。1998年，Stanley和日本国家无机材料研究所的Osamu Mishima在用挤压的方式融化微小冰晶时似乎发现了这种液－液相变。 此后在2007年，意大利墨西拿大学的Francesco Mallamace和他的研究小组报告说，在二氧化硅构成的微管道中，由于管道尺寸过于狭小，管道中的水不能凝结。在这种情况下他们发现了两种不同形态的过冷水。批评者认为是二氧化硅表面改变了水的性质。 Leporini的研究小组通过研究封闭在冰中的水绕开了上述批评意见。他们采用一项叫作电子旋转共振（electron spin resonace）的技术研究摄氏零下183度时被封闭在微小冰晶孔洞中移动的水分子。他们不是直接测量水的移动，而是观察一种叫作TEMPOL的有机“探头”的运动，这种有机物在粘度较高的水中移动速度将变慢。Leporini解释说采用TEMPOL进行观察的原因是，TEMPOL只能在液态水中运动而无法进入冰中，因此可以用这种物质研究被冰晶封闭的液态水。 他们在报告中说，在零下140度到0度之间他们看到TEMPOL存在两种类似于在液体中的运动，这意味着在冰晶的孔洞中存在两种类型的水。TEMPOL在一种水中的运动比在另一种水中慢，他们认为这种现象就表明存在两种截然不同的水，一种是粘度较高的低密度水，另一种则是流动性更好的高密度水。 Debenedetti认同上述结果似乎确实证明存在两种不同的水，并且这两种水各自的数量随温度变化而变化，但他并不认为这两种水的差异如水与冰那样分明，因为这两种水的转化过程是逐渐发生的，而不是在特定的参数条件下发生的。 亚利桑那州立大学的水专家Austen Angell对此结果更加怀疑。他认为就如同海水在结冰时盐分会逐渐析出一样，他认为在极其微小的冰晶间隙中，任何虚假表象都可能出现。他说上述研究中所研究的并不是纯水，而是大部分水结晶后留下的析出物。这些析出物的成份是未知的，并且很可能是浓度很高的TEMPOL和其它可溶解杂质熬成的浓汤。 由此可见上述研究结果是否正确还存在很大疑问。不过一旦这项结果被证明是正确的，Leporini认为这不仅能解释水的怪异行为，而且还有其它意义，比如在极地或其它寒冷星球上，存在于冰晶孔洞中的过冷水中很可能存在生命现象，并且这些生命可能适应了两种不同形态的液态水。 （转译自NatureNews） |
