水可以保持液體形態的極限低溫是多少

類別: 新奇
majer@ 2018.01.13 , 09:00
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水可以保持液體形態的極限低溫是多少

水可以保持液體形態的極限低溫是多少
Credit:123RF

科學家們已經創造了液態水極限冷卻溫度的新高度,或者說新低度——零下45攝氏度。這遠低於通常的冰點,並且表明對於這種研究內容豐富的物質,我們仍然有許多未知的東西。

在兩組獨立的實驗中,將水過度冷卻到230開爾文和227.7開爾文,換成攝氏度(華氏度)分別為-43.15℃(-45.67℉)和-45.45℃(-49.81℉)。

在這種極端溫度下,水幾乎變成了兩種不同型別的液體,科學家們說,水的性質在兩種不同的狀態之間來回波動,就像我們面對兩個同樣誘人的選擇時,搖擺不定,需要反覆斟酌一樣。

我們已經知道,在某些情況下,例如高空的雲層裡,水可以保持在零攝氏度(32°F)以下。事實上,凍結效應取決於許多能影響液體分子的因素,以及它們結晶的速度。

結晶或結冰,發生在原始晶核成形並開始吸引其他水分子時,科學家以前找到了推遲水結晶的方法,但到目前為止,還沒有人能夠確定我們可以將液態水冷卻到多低的溫度,而不使它結晶。

瑞典斯德哥爾摩大學的研究人員Anders Nilsson說:“我們這一次新發現水的奇異特性,當溫度很低,同時保持冰晶結晶過程緩慢的時候,水就呈現出兩種不同的液體形式。”

Nilsson和他的同事們將微小的的液滴送入真空的環境中,將液體溫度降低到227.7開爾文。利用先進的X射線儀器掃描,他們注意到液滴中有兩種不同密度的水共存。

來自斯德哥爾摩大學的研究人員Katrin Amann-Winkel說:“研究人員觀察到玻璃狀態的水轉變成某種粘稠的液體,這種變化發生的迅捷和徹底。水立即轉變成密度低得多、但更粘稠的液體。”

在超低溫下會有兩種不同密度的水共存,這樣的事實,實際上早在科學家的預料之中,但這是我們第一次在實驗室裡看到真實的證據——該實驗可以為食品保鮮和許多不同領域的低溫技術提供理論支援(畢竟,沒人希望自己在太空旅行的冬眠中因體液結冰而死)。

另外一組國際聯合研究團隊設計的第二個實驗,也利用了真空中的微小水滴。這一研究顯示了水在極低的壓力水平下,水的揮發過程是如何超過水的結晶過程的。

最終,他們令水降低到230開爾文這一超低溫度之前,始終保持液體形態。研究人員說,實驗利用到特殊的鐳射技術,用以測量液滴的大小,進而推知其溫度,他們認為,這種技術手段未來會為該領域帶來更大的驚喜。

法蘭克福大學的高階合作者Robert Grisenti說:“確定球形液滴溫度的最簡單方法就是測量它的大小,這可以通過利用液滴散射光線中干涉圖案中的條紋間隔一類的資訊來確定。”

最終,這種技術甚至可以用來測量地球大氣層中的液滴體積,並增加我們對氣候變化的理解。

這是我們首次在如此低的溫度下觀察到液態水存在,這也意味著科學界希望確認實驗數值的準確度,還有我們又是否可以將實驗結論進一步推進到更低的溫度下。

似乎現在就可以達成統一意見的是,深入探索水屬性的研究,對地球和生命本身的認知都是至關重要的。

我們現在有了一個全新的視角。第一個實驗的研究人員之一,斯德哥爾摩大學的Lars G.M.Pettersson指出:“簡而言之,水不是一種複雜的液體,而是兩種具有複雜關係的簡單液體。”

兩項實驗被髮表在Science 和Physical Review Letters上。

本文譯自sciencealert,由譯者majer基於創作共用協議(BY-NC)釋出。

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