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四面体也许可以解释水的独特性

日本东京-东京大学工业科学研究所的研究人员筛选了实验数据,以研究过冷水在无序和四面体结构形式之间发生液-液相转变的可能性。他们发现了基于四面体协同形成的临界点的证据,并显示了其在水异常中的次要作用。这项工作表明,水的特殊品质(这是生命必不可少的)主要来自于两种状态。

众所周知,液态水是生命中必不可少的,但它的许多特性与其他流体的行为方式不符。其中一些异常现象,例如水在4°C时的最大密度及其巨大的热容量,对活生物体具有重要意义。自伦琴时代以来,这些功能的起源引发了科学界的激烈争论。

现在,东京大学的研究人员已经利用了一种二态模型,该模型假定了液态水中两种类型的分子结构的动态共存。这些是熟悉的无序正常液体结构和局部偏爱的四面体结构。与许多其他相变一样,四面体之间的相关性可能呈幂律形式,这是一个“临界点”,这意味着将不再存在任何“典型”长度标度。

利用水分子的计算机模拟,以及对实验结构,热力学和动态数据(包括X射线散射,密度,可压缩性和粘度测量值)的全面分析,研究人员能够缩小临界点的范围。如果存在的话。

主要作者瑞石说:“如果在这些条件下液态水中四面体结构的形成是协同的,那么可能会有一个临界点的液-液相转变。”

研究小组表明,这种情况发生在温度约为90°C,压力约为1,700个大气压的情况下。在此范围内进行实验非常困难:由于水远远低于其正常冻结温度,因此冰晶会迅速形成。但是,在这些非常高的压力下,样品可能以亚稳态“过冷”状态保持液态。

“我们看到有证据表明临界点是真实的,但在液态水的实验可及区域,其影响几乎可以忽略不计,因为它离临界点太远了。这意味着水的异常来自于两态特征,而不是来自于两态特征。关键”,高级作者田中肇(Hajime Tanaka)说。科学家们预计,该项目将导致关于水异常源头的漫长辩论和更多的实验研究进入水的第二个临界点。

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