奇怪！水竟是两种液体？地球的生命之源比你想象的更神秘
水在足够冷的条件下会结冰 ， 这是一个无人反对的命题 。 但你可能并不知道 ， 这一让大家视为常识的物理现象并不始终正确 。 实际上 ， 水可以在温度达到零度以下仍不结冰 ， 而维持液态的形态 。
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这一现象在适当的条件下是会发生的 ， 即所谓的“过冷水”—温度在凝固点以下的液态水 。 在这个微妙的临界点处 ， 水由两种密度不同的“水”组成 。 也就是说 ， 此时的水不是一种液体 ， 而是两种液体 。
《科学》杂志上发表的一篇研究探讨了这一不寻常现象的性质 ， 并且表明 ， 尽管水是地球上最寻常的物质 ， 我们对它的研究却远远不够 。
（图解：一项新研究证实 ， 过冷水有两种形式：底部高密度形式和顶部低密度形式 。
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图源：航跃科技）
水本身具有许多奇特的性质 。 太平洋西北国家实验室的格雷格·金梅尔（Greg Kimmel）在过去的25年中一直与物理学家布鲁斯·凯（Bruce Kay）合作研究水 。 他们之所以对水如此着迷 ， 不仅是因为水为人熟知、用途广泛 ， 而且还因为“就目前所知 ， 水比大多数物质都更加神秘 ， ”金梅尔在杂志《逆》采访时说 。
他们用冰块举例—当水冻结时 ， 自身密度变小 ， 导致体积变大 ， 使冰块能漂浮在水面上 。凯在采访时说：“地球生命的演化过程是特别的 ， 因为冰会漂浮在水上而不是沉在水底 。 ”
【奇怪！水竟是两种液体？地球的生命之源比你想象的更神秘】
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（图解：水在多冷时一定会结冰？这仍旧是一个被争论的议题——金梅尔在采访时说 。图源：Tatsiana Volskaya/Moment/Getty Images）
实际上 ， “过冷水”会出现的原因是因为低温并不是水结冰的唯一条件 。 还有很重要的一点是：如果水中没有晶种（该物质自身的晶体）或凝结核能够使水分子开始形成晶体结构 ， 水的物质形式就不会改变 。 如果你想制造过冷水 ， 那请确保以下两点：第一 ， 水中必须不含杂质 ， 杂质可能导致形成成核位置；第二 ， 保持水的静止状态 ， 不要摇晃它 ， 因为分子在搅动时也能形成成核位置 。
过冷水是被科学家们所熟知的 。 因为突然的晃动能为水分子冻结提供所需的凝结核 ， （例如 ， 你可以尝试冷冻一段时间一瓶矿泉水 ， 从冰箱慢慢拿出来 ， 然后用力敲击一下瓶身 。 ）这一让水迅速从液相转化为固相的过程所带来的视觉体验 ， 不亚于魔术表演—它可以被用来当做给孩子们展示的一次科学实验 ， 或者录成视频上传到油管上 。
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如果用科学的语言来解释这一现象 ， 就需要引入分子结构这一话题 。 “过冷温度下的液态水的分子结构不仅已变得相对稳定 ， 而且同时存在两种结构基序 。 这些发现解释了一个长期存在的争论 ， 那就是 ， 深度过冷水是否必须达到结晶状态后才能说明其分子结构是平衡的？恐怕答案是否定的 。 ”金梅尔声明说 。
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梅尔表示 ， 在达到平衡之前 ， 水分子可以维持液态的分子结构 ， 当温度达到极低的条件 ， 水即将结冰 。
（图解：水分子的排布结构：低密度下的四面体排布（左）和高密度下的无序排布 。图源：环球科学）
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在如此冷的情况下 ， 水冻结可能只需一百万分之一秒 。 但是对于此前周围活跃的水分子来说 ， 这点时间足以让他们保持着想要的结构而无需改变 。 ”金梅尔说 。
（图解：理解为什么水在结冰后会漂浮 ， 会感受到它的奇妙 。图源：Adam Hester/The Image Bank/Getty Images）
金梅尔和凯与科学家—博士后洛尼·克林格（Loni Kringle）和怀亚特·索恩利（Wyatt Thornley）一起 ， 使用红外光谱法 。 这种研究方法通过红外辐射与物质的相互作用 ， 观察激光发射在冰块上时水分子的反应 ， 从而在几纳秒内制造出过冷液态水 。凯将这一过程比作了“黏土动画” 。
进行了数次的激光测试证明 ， 所有分子结构的变化都是可逆并可复制的 。
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