撰文 | Katharine Sanderson

翻譯 | 張克文

審校 | 吳非

“水真是太奇怪了?！闭f這句話的是近乎整個學術生涯都在研究“水”的化學家Anders Nilsson,。這個觀點對我們來說或許難以接受，畢竟,，還有什么能比水更尋常,？水的行為對我們來說是如此熟悉，它的外表如此普通 ,。但是水的奇特也是獨一無二的,。如果不是因為它的奇特，我們甚至沒有機會在這里討論這個問題,。

我們知道,，水在4°C時密度最大。但如果它的性質不是這樣,，而是在結冰時密度最大,，湖泊和河流會從底部開始結冰，逐步殺死水中的居住者,；如果水的比熱容不是這么大,，地球在很久之前就會被燒干,；如果水分子在穿越細胞膜時，不能攜帶其他物質,，植物和動物就會死于營養(yǎng)不良,。

從伽利略時代起，科學家們就一直在嘗試挖掘水的奇異性質,，但始終沒有收獲,。如今，通過Nilsson和其同事的工作,，我們可能接近于理解為什么水會有這些行為,。他們的解釋就像水自身一樣奇特：水不是一種液體，而是兩種,。

在某些層面上，水具有多種不同的形式,，這并不奇怪,。取決于你觀測的壓強和溫度，水可以是固態(tài),、液態(tài)或氣態(tài)的,。在海平面，水在100°C時轉化為蒸汽,，但是在氣壓較低的高海拔地區(qū),，水會在更低的溫度下沸騰——時間是省下來了，但是你的茶也被毀掉了,。

在絕大多數情況下,，液態(tài)和氣態(tài)是分開的。然而,，隨著溫度和壓強的增加,，情況開始發(fā)生改變。當氣體被壓縮到一定程度時,，它的行為開始更像是液體,；而當液體被加熱，它也會趨近于氣體的行為,。當壓強或溫度足夠高,，會到達一個被稱為“臨界點”的微妙平衡點，在這一點你無法區(qū)分你看到的到底是哪一態(tài),。而略微降低壓強或溫度,，水就會回到液態(tài)或氣態(tài)。

這也是兩種液體故事的開端,。首先忽略壓強,，幾乎所有物質在高溫下都有一個氣相和液相交匯的臨界點,，但是少數材料在低溫下還有一個神秘的第二臨界點。比如,，如果你在適當條件下冷卻液態(tài)硅和鍺,，它們可以轉化成兩種不同密度的液體：原子組成相同，但是不同的結構賦予了它們不同的性質,。

盡管它們也很奇怪,，但除了學術上的用途，這些第二臨界點并沒有引起太多關注,。如果你不是專門研究液態(tài)硅的,，這一領域可能不會引起你的注意。

1992年,，波士頓大學Peter Poole 和Gene Stanley領導的團隊改變了這一局面,。他們被一個宣稱水的密度在低溫下存在漲落的試驗所吸引：水的溫度越低，密度漲落越明顯,。這和所有的理論預言都背道而馳,。一般而言，物質溫度越低,，密度漲落越小,。

為了探明究竟發(fā)生了什么，Poole,、Stanley和他們的合作者模擬了水過冷的過程,，他們小心地將水降溫，使其低于凝固點而仍然保持液態(tài),。他們的計算機模擬證實了水在過冷態(tài)的密度漲落行為,，而且隨著溫度降低，漲落確實會增大,。一些有趣的機制一定在起著作用。

Poole和Stanley的團隊猜想,，這是第二臨界點的特征：水被區(qū)分成兩種密度不同的液體,，每一種都在自己的相中；而在第二臨界點之上,，這兩種相難以區(qū)分,，水會在這兩種相之間快速轉變。因為兩種物質不同的性質,，任意一種轉化成另外一種時,，都會導致突然的密度變化，這一變化在臨界點時最為顯著,。

他們提出的水有兩個臨界點的假說可能有一些古怪,。Nilsson說：“任何有關水的事情都存在爭議,。”更多的研究者認為水的性質可以用更為傳統(tǒng)的方式解釋,。一種解釋是在極低的溫度下,，過冷態(tài)的水轉變?yōu)橐环N無序的固體，而不是晶體結構的冰,。另一種解釋認為,，看似是第二臨界點的現象，只是水的一種奇特的凝固方式,。

該團隊知道,，如果他們關于第二臨界點的認識是正確，通過試驗驗證將極其棘手,。臨界點所處的溫度只有-45°C,，即使是過冷態(tài)的水也會自發(fā)結成冰?！拔覀兯媾R的挑戰(zhàn)是將水極快地冷卻下來,，” Stanley說，“研究它需要非常聰明的試驗設計,?！?/span>

任職于瑞典斯德哥爾摩大學的Nilsson接受了這一挑戰(zhàn)。他的團隊一直癡迷于水的奇特行為,，尤其是Poole和Stanley關于兩種液體的設想,。本世紀初，Nilsson在室溫和大氣壓下工作讓他相信水分子可以以兩種結構存在：無序的致密堆積,，以及密度較低的均勻四面體結構,。他的試驗表明，在這些外界環(huán)境下,，低密度的相會浮在混亂的致密相之上,。但他也表示，他的同行并不認同這一觀點,。

Nilsson認為,，水分子可以以兩種結構存在。

接著在2008年的一系列會議上,，他與研究過冷水的同事進行了深入的交流,。Nilsson很快發(fā)現他們的想法開始成形。Nilsson說,，畢竟水只是一種物質,，“它不可能在室溫下和過冷狀態(tài)下有著不同的描述?！彼匆娏藢⑦@兩種描述統(tǒng)一的機遇,。他說：“讓我著迷的是,，之前幾乎沒有這方面的試驗研究，大部分都是理論學家的工作,?！?/span>

在他嘗試證明水也有第二臨界點時，Nilsson著重關注Poole和Stanley理論中的關鍵預言：過冷水的密度在低溫下會有漲落,。方案很簡單：測量密度漲落,，然后改變條件使?jié)q落增加。沿著這條路線（Stanley以物理化學先驅Benjamin Widom命名的Widom線）,，最終會到達臨界點,。“當你有了Widom線,，” 羅馬第三大學的理論物理學家Paola Gallo說,，“一定會出現臨界現象?！?/span>

實際上這項試驗一點也不簡單,。水易于凝結成冰：在微小的雜質周圍，會迅速形成冰晶,，這是Nilsson需要首先解決的問題,。利用韓國的先進設備，2017年,，Nilsson的團隊獲得了極純的水滴,，并把它滴入真空室中、冷卻到-45°C,。當水滴下落,，Nilsson測量它的體積隨壓強的變化，從而獲得其密度,。

去年12月,， Nilsson團隊公布了試驗結果。在水自發(fā)結冰前極短的一段時間內,，他們捕捉到了過冷水狀態(tài)的照片,。研究者表示，他們捕捉到了Widom線的明顯痕跡,，這條軌跡會指向第二臨界點。

一些研究人員,，例如Gallo,，認為Nilsson的想法十分重要。雖然研究人員稱贊了Nilsson團隊使用的技術,，但卻對其結論提出了質疑,。英國科技設施委員會盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實驗室的Alan Soper就指出，指向臨界點的試驗證據幾乎為零,?！癗ilsson在試驗中發(fā)現的效應不僅很微弱，而且有著多種可能的解釋,，其中之一是在其附近應該有第二臨界點,。”

另一位懷疑者,，加州大學伯克利分校的Rich Saykally說：“需要更多的證據而不是這些漂亮的新結果來說服眾多的專家,。” 正如對Poole和Stanley的批評,，Saykally認為,，其結果可能只是水在低溫下凝固時的特殊現象。

瑞士日內瓦,，羅訥河和咸水的阿爾沃河交匯,。

Henryk Sadura / Alamy Stock Photo

但在今年3月，新的證據再次出現,。阿姆斯特丹大學的Sander Woutersen團隊采用了完全不同的思路,，他們嘗試了另一種使水降溫時停止結冰的方法：防凍劑。他們所用的防凍劑有著和水相似的分子結構,，能夠溶解并混合在周圍液體中,。當混合物降溫時，它的密度出現突然變化,。因為溶液和純水的結構非常相似,，他們認為結果表明水確實有第二臨界點。普林斯頓大學的Pablo Debenedetti 也認為,，這項工作支持了水由兩相組成的觀點,，但對于這是否為最終結論，他仍持保留意見,。

這項工作花了整整26年,，而就在幾個月之內，兩組優(yōu)秀的實驗團隊相繼為Poole和Stanley的預測提供了堅實的數據,?！翱茖W就是這樣有趣?！?Stanley說道,。

如果這一理論是正確的，其影響不僅限于Nilsson和 Woutersen在實驗室中創(chuàng)造出的奇異形式?！斑@些討論都可以上升到室溫,，也適用于生命?！?Nilsson說,。Debenedetti也表示同意：“這些效應的影響十分深遠，不僅僅是臨界點,。水在周圍環(huán)境中的特性的確反映了其過冷時的特性,。”

在倫敦南岸大學的Martin Chaplin看來,，水在低溫下存在兩種結構,，能夠很好地解釋我們在室溫和大氣壓下看到的水的奇特行為。比如,，低于4°C的液態(tài)水密度比冰大這一事實,，是因為加熱使水的無序性下降，形成密度更大的結構,；水的高比熱容,，則是因為吸收的能量使得水分子從一種相轉變?yōu)榱硪环N。而水壓力下的擴散能力（例如在身體中）,，則是由于高壓下無序結構的流動性在增加,。

對于Stanley來說，這說明水對我們的存在而言十分重要,，第二臨界點處密度的巨大漲落可能是生命出現的原因之一,。Debenedetti則在繼續(xù)驗證這一猜想。他現在正用計算機模型來標記蛋白質在不同溫壓條件下,，尤其是第二臨界點附近的行為,。Debenedetti說他對在極端條件下蛋白質如何和兩種密度不同的液態(tài)水相互作用極為感興趣。

然而,，首先要確定的仍然是這一結論正確與否,。后續(xù)實驗有可能徹底解決這個問題。Nilsson決定去往韓國找到第二臨界點的確切證據,。如果他能成功,，那么水的神秘行為將變得清晰起來；而水本身,，將變得比以往更加奇特,。

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https://www./article/mg23831800-100-h2oh-water-is-actually-two-liquids-disguised-as-one/

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