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科学家证实水有两种液相
2018-01-1816:34:36 来源:科技日报
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  日本理化学研究所和瑞典斯德哥尔摩大学的研究小组利用日本X射线自由电子激光设施的激光器SACLA,成功捕捉到过冷状态水(H2O)的结构,验证了水存在液—液相变的临界点,并能在两种液相间转变。

  生命离不开水,但人们对水的理解尚不完善。水在温度降低时的密度、热容量、等温压缩率等热力学的特征变化与其他液体呈相反状态,由此引发了对水的热力学特征的长期争论,出现了各种假说。其中一种假说认为,液态水具有密度不同的两个相(物态),并在两个相之间摇摆。但是水在温度下降到接近0℃时(过冷状态),状态不稳,会很快结冰,因此迄今为止验证该假说极为困难。

  联合研究小组利用SACLA对过冷状态的水滴进行照射,分析了水的结构。SACLA的脉冲宽度为非常短的飞秒级,可以在冷却水结冰之前对各个时段的变化进行测量。研究小组获得了水在各种温度下的数据,通过分析被水滴散射的X射线得到了水的结构,并调查了水冷却时等温压缩率的上升情况。结果发现,等温压缩率在-44℃时为最大,低于此温度时发生反转;把水中的氢原子(H)置换成重氢原子(D)的重水(D2O),等温压缩率温度为-40℃。这些发现表明,水存在液—液相变的临界点,这种相转移影响原子核的量子效应。

  该研究成果阐释了水的固有热力学形态的起源,相关论文已发表在《科学》杂志网络版。

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