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水的不寻常特性的来源

来源:Stockholm University 2018-01-11 09:27 1334人浏览

【盖德化工网 每日热点】利用x射线激光,斯德哥尔摩大学的研究人员已经能够绘制出水冷却时在两个不同的状态之间是如何波动的。在-44°C这些波动达到了最大值,这表明水可以作为两种不同的液体而存在。研究结果将发表在《科学》的杂志上。

Credit: Stockholm University

水是地球上生命共同和必需的,与其他物质相比,水的表现非常奇怪。水的密度、比热、粘度和可压缩性如何对压力和温度的变化作出反应,这与我们所知道的其它液体是完全相反的。

我们都知道,所有物质在冷却后都会收缩,从而导致密度的增加。因此,我们预计在冰点时水的密度会很高。但是,如果我们看一杯冰水,所有的东西都是上下颠倒的,因为我们预计水的温度是0°C被冰包围应该在玻璃杯的底部,当然,正如我们所知,冰块漂浮在水面上。奇怪的是,对于液体状态来说,水是4摄氏度时的密度最大的,因此不管是在玻璃杯中还是在海洋中,水都会停留在底部。

如果你把水冷却到4度以下,它就会再次膨胀。如果你继续冷却纯净水(结晶速率低)到零以下,它会继续膨胀——当温度变冷时,膨胀甚至会加速。随着水的冷却,可压缩性和热容等许多特性变得越来越奇怪。现在,斯德哥尔摩大学的研究人员,在日本和韩国的x射线激光的帮助下,已经成功地确定了水在零下44°时达到了它奇怪行为的顶峰。

水是独特的,因为它可以存在于两种液体状态中,它们有不同的方式将水分子粘合在一起。水在这些状态之间波动,就好像它无法下决心,在,这些波动达到最大值-44°C。正是这种能力,从一种液体状态转变为另一种液体状态,使水具有不同寻常的特性,并且随着冷却的增加,这种奇异性也随之增加。

斯德哥尔摩大学(Stockholm University)化学物理学教授安德斯?尼尔森(Anders Nilsson)表示:“特别的是,我们能够在冰冻结之前,以难以想象的速度进行x光扫描,观察它在两种状态之间的波动情况。”“几十年来,人们一直在猜测和不同的理论来解释这些非凡的特性,以及它们为什么在水变冷时变得更强。”现在我们已经找到了这样一个最大值,这意味着在更高的压力下也应该有一个临界点。

这项研究的另一个显著发现是,正常和重水之间的异常特性不同,对较轻的水更为明显。斯德哥尔摩大学(Stockholm University)化学物理学博士后Kyung Hwan Kim表示:“这里给出的两种同位素(H2O和D2O)之间的差异表明了核量子效应的重要性。”斯德哥尔摩大学(Stockholm University)化学物理学博士Alexander Spah表示:“在水这样一个被广泛研究的课题上做出新发现的可能性是非常吸引人的,也是对我进一步研究的巨大鼓舞。”

斯德哥尔摩大学化学物理学博士后Harshad Pathak说:“能够在如此低温的条件下测量水的温度,这是一个梦想。”“世界上许多人都试图寻找这一最大值。”

“自Wolfgang Rontgen的早期工作以来,关于水的奇怪特性起源的争论一直很激烈,”Anders Nilsson进一步解释道,“研究水的物理原理的研究人员现在可以确定水在过冷系统中有一个临界点的模型。下一步是根据压力和温度找出临界点的位置。在接下来的几年里,这是一个巨大的挑战。”

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