@ 2016.11.16 , 11:00

科学家发现了液态水的第二种状态

它是地球上最基本的成分之一,它大约占人体的百分之六十,现在人们才发现原来水比我们想象中的更加奇怪。

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研究人员们一直在调查水的物理属性,他们发现当水被加热到40-60摄氏度之间的时候,它会到达一种“交叉温度”,并开始在两种不同的液体之间转换。

水作为一种化合物,对于地球上的生命而言至关重要,我们一直都低估了它的奇怪之处。

我们都已经习惯了它的存在,也难以想象事物还有固态、液态和气态之外的情况。(在极罕见的情况下,事物也会呈现类似等离子体一样的状态。)

从很多方面来看,平淡无奇的水都与地球上的很多其它物质不一样。

除了水银外,水是所有液体中表面张力最高的。它的固态还能漂浮在液态水上,与很多其它物质不同的是,水在结冰的时候体积会膨胀。

它还有一个很奇怪的沸点。其它氰化物氢化物的沸点会随着分子体积的减小而降低(比如碲化氢和硫化氢),可H2O的分子重量虽小,它的沸点却很高。

Philip Ball曾在《自然》上指出:“没有人真的了解水。虽然承认这一点很尴尬,但其实覆盖着地球三分之二表面积的东西,对我们而言依旧是个谜。更糟糕的是,我们研究得越多,累积的问题也越多:新技术。”

现在物理学家们已经证明,当温度到达40-60摄氏度之间的时候,液态水会“改变”状态,并根据它进入的状态而表现出新的属性。

为了了解这一点,英国牛津大学的物理学家Laura Maestro带领着国际团队研究了水的一系列属性。

他们调查了水的导热性、折射率、导电性、表面张力和介电常数(即电磁场穿过某个表面的能力),并且了解了当温度在0-100摄氏度之间浮动的时候,这些属性会有何变动。

当水温到达40摄氏度的时候,事情开始有了变化,这些属性的变化一直持续到水温变为六十摄氏度。在这个范围内,每个属性都有不同的变化温度,研究人员们认为这是因为液态水已经变成了另外一种不同的状态。

该团队列举了一些变化温度:在接近64摄氏度的时候导热性有变化,50摄氏度是折射率变化,53摄氏度是导电性,57摄氏度是表面张力。

他们总结道:“这些结果证实在0-100摄氏度的范围内,液态水呈现的变化温度,其多个属性接近50摄氏度的属性。”

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那么到底发生了什么事情呢?对此物理学家们并不是很清楚,不过水在特定温度下能在两种完全不同的液态之间转变,可能与H2O总体不同寻常的属性有关。

水分子之间维持着非常短暂的氢键,这些氢键远比连接单个氢原子和氧原子的力要弱。

也因此,将水分子连接在一起的氢键总是在不停断裂又重新形成,在这些混乱中,存在着固定结构和规则。物理学家们怀疑赋予水不同寻常属性的正是这种东西,但没人能够完全确定它的原理。

Ball表示:“每个人都认为水分子结构的某个方面让它不同于其它液体:短暂存在的氢键。在水的熔点之上,这些氢键不断地断裂又重新形成,迫使混乱的水分子维系着一定结构。”

虽然Maestro及其团队的研究结果需要等到另外一个独立团队重复,才能确切地重写教科书,但他们表示他们的发现对我们的纳米和生物体系理解有着重大影响。

他们在研究中写道:“比如,分散在水中的、作为纳米探针的金属纳米粒子光学性能,和被用作荧光显像与肿瘤探测的量子点,在这个温度范围内都有着非凡表现。这也让我们忍不住探究温度引起的水结构改变,是否会影响水溶液中的生物大分子,尤其是蛋白质这种对活细胞至关重要的物质。”

该研究已被发表在International Journal of Nanotechnology上。

本文译自 Sciencealert,由译者 肌肉桃 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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