原標(biāo)題：水不是一種液體,，而是兩種,？,！這種奇異特性,，或是生命存在的關(guān)鍵

水是我們最熟悉、接觸最頻繁的物質(zhì)之一,，我們以為自己對它的性質(zhì)了如指掌,。但實際上，科學(xué)家卻從來沒有真正揭開它的真正結(jié)構(gòu),，也難以解釋它的很多奇特性質(zhì),。最近半年，兩支團(tuán)隊分別取得的實驗數(shù)據(jù)支持了一個頗為意外的觀點：水不是一種液體,，而是兩種,！

“水真是太奇怪了?！闭f這句話的是近乎整個學(xué)術(shù)生涯都在研究“水”的化學(xué)家Anders Nilsson,。這個觀點對我們來說或許難以接受,，畢竟,，還有什么能比水更尋常？水的行為對我們來說是如此熟悉，它的外表如此普通 ,。但是水的奇特也是獨一無二的,。如果不是因為它的奇特，我們甚至沒有機(jī)會在這里討論這個問題,。

我們知道,，水在4°C時密度最大。但如果它的性質(zhì)不是這樣,，而是在結(jié)冰時密度最大,，湖泊和河流會從底部開始結(jié)冰，逐步殺死水中的居住者,；如果水的比熱容不是這么大,，地球在很久之前就會被燒干；如果水分子在穿越細(xì)胞膜時,，不能攜帶其他物質(zhì),，植物和動物就會死于營養(yǎng)不良。

從伽利略時代起,，科學(xué)家們就一直在嘗試挖掘水的奇異性質(zhì),，但始終沒有收獲。如今,，通過Nilsson和其同事的工作,，我們可能接近于理解為什么水會有這些行為。他們的解釋就像水自身一樣奇特：水不是一種液體,，而是兩種,。

水的第二臨界點？

在某些層面上,，水具有多種不同的形式,，這并不奇怪。取決于你觀測的壓強(qiáng)和溫度,，水可以是固態(tài),、液態(tài)或氣態(tài)的。在海平面,，水在100°C時轉(zhuǎn)化為蒸汽,，但是在氣壓較低的高海拔地區(qū)，水會在更低的溫度下沸騰——時間是省下來了,，但是你的茶也被毀掉了,。

在絕大多數(shù)情況下，液態(tài)和氣態(tài)是分開的,。然而,，隨著溫度和壓強(qiáng)的增加,，情況開始發(fā)生改變。當(dāng)氣體被壓縮到一定程度時,，它的行為開始更像是液體,；而當(dāng)液體被加熱，它也會趨近于氣體的行為,。當(dāng)壓強(qiáng)或溫度足夠高,，會到達(dá)一個被稱為“臨界點”的微妙平衡點，在這一點你無法區(qū)分你看到的到底是哪一態(tài),。而略微降低壓強(qiáng)或溫度,，水就會回到液態(tài)或氣態(tài)。

這也是兩種液體故事的開端,。首先忽略壓強(qiáng),，幾乎所有物質(zhì)在高溫下都有一個氣相和液相交匯的臨界點，但是少數(shù)材料在低溫下還有一個神秘的第二臨界點,。比如,，如果你在適當(dāng)條件下冷卻液態(tài)硅和鍺，它們可以轉(zhuǎn)化成兩種不同密度的液體：原子組成相同,，但是不同的結(jié)構(gòu)賦予了它們不同的性質(zhì),。

盡管它們也很奇怪，但除了學(xué)術(shù)上的用途,，這些第二臨界點并沒有引起太多關(guān)注,。如果你不是專門研究液態(tài)硅的，這一領(lǐng)域可能不會引起你的注意,。

1992年,，波士頓大學(xué)Peter Poole 和Gene Stanley領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊改變了這一局面。他們被一個宣稱水的密度在低溫下存在漲落的試驗所吸引：水的溫度越低,，密度漲落越明顯,。這和所有的理論預(yù)言都背道而馳。一般而言,，物質(zhì)溫度越低,，密度漲落越小。

為了探明究竟發(fā)生了什么,，Poole,、Stanley和他們的合作者模擬了水過冷的過程，他們小心地將水降溫,，使其低于凝固點而仍然保持液態(tài),。他們的計算機(jī)模擬證實了水在過冷態(tài)的密度漲落行為，而且隨著溫度降低,，漲落確實會增大,。一些有趣的機(jī)制一定在起著作用,。

Poole和Stanley的團(tuán)隊猜想，這是第二臨界點的特征：水被區(qū)分成兩種密度不同的液體,，每一種都在自己的相中,；而在第二臨界點之上,，這兩種相難以區(qū)分,，水會在這兩種相之間快速轉(zhuǎn)變。因為兩種物質(zhì)不同的性質(zhì),，任意一種轉(zhuǎn)化成另外一種時,，都會導(dǎo)致突然的密度變化，這一變化在臨界點時最為顯著,。

他們提出的水有兩個臨界點的假說可能有一些古怪,。Nilsson說：“任何有關(guān)水的事情都存在爭議?！备嗟难芯空哒J(rèn)為水的性質(zhì)可以用更為傳統(tǒng)的方式解釋,。一種解釋是在極低的溫度下，過冷態(tài)的水轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N無序的固體,，而不是晶體結(jié)構(gòu)的冰。另一種解釋認(rèn)為,，看似是第二臨界點的現(xiàn)象,，只是水的一種奇特的凝固方式。

該團(tuán)隊知道,，如果他們關(guān)于第二臨界點的認(rèn)識是正確,，通過試驗驗證將極其棘手。臨界點所處的溫度只有-45°C,，即使是過冷態(tài)的水也會自發(fā)結(jié)成冰?！拔覀兯媾R的挑戰(zhàn)是將水極快地冷卻下來,，” Stanley說，“研究它需要非常聰明的試驗設(shè)計,?！?/p>

接踵而至的證據(jù)

任職于瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的Nilsson接受了這一挑戰(zhàn)。他的團(tuán)隊一直癡迷于水的奇特行為,，尤其是Poole和Stanley關(guān)于兩種液體的設(shè)想。本世紀(jì)初,，Nilsson在室溫和大氣壓下工作讓他相信水分子可以以兩種結(jié)構(gòu)存在：無序的致密堆積，以及密度較低的均勻四面體結(jié)構(gòu),。他的試驗表明，在這些外界環(huán)境下,，低密度的相會浮在混亂的致密相之上。但他也表示,，他的同行并不認(rèn)同這一觀點。

Nilsson認(rèn)為,，水分子可以以兩種結(jié)構(gòu)存在。

接著在2008年的一系列會議上,，他與研究過冷水的同事進(jìn)行了深入的交流。Nilsson很快發(fā)現(xiàn)他們的想法開始成形,。Nilsson說,，畢竟水只是一種物質(zhì)，“它不可能在室溫下和過冷狀態(tài)下有著不同的描述,?！彼匆娏藢⑦@兩種描述統(tǒng)一的機(jī)遇。他說：“讓我著迷的是,，之前幾乎沒有這方面的試驗研究,，大部分都是理論學(xué)家的工作?！?/p>

在他嘗試證明水也有第二臨界點時,，Nilsson著重關(guān)注Poole和Stanley理論中的關(guān)鍵預(yù)言：過冷水的密度在低溫下會有漲落。方案很簡單：測量密度漲落,，然后改變條件使?jié)q落增加,。沿著這條路線（Stanley以物理化學(xué)先驅(qū)Benjamin Widom命名的Widom線），最終會到達(dá)臨界點,?！爱?dāng)你有了Widom線，” 羅馬第三大學(xué)的理論物理學(xué)家Paola Gallo說,，“一定會出現(xiàn)臨界現(xiàn)象,?！?/p>

實際上這項試驗一點也不簡單,。水易于凝結(jié)成冰：在微小的雜質(zhì)周圍,，會迅速形成冰晶,，這是Nilsson需要首先解決的問題,。利用韓國的先進(jìn)設(shè)備，2017年,，Nilsson的團(tuán)隊獲得了極純的水滴,，并把它滴入真空室中,、冷卻到-45°C,。當(dāng)水滴下落,，Nilsson測量它的體積隨壓強(qiáng)的變化，從而獲得其密度,。

去年12月,，Nilsson團(tuán)隊公布了試驗結(jié)果。在水自發(fā)結(jié)冰前極短的一段時間內(nèi),，他們捕捉到了過冷水狀態(tài)的照片,。研究者表示,，他們捕捉到了Widom線的明顯痕跡,，這條軌跡會指向第二臨界點,。

一些研究人員，例如Gallo,，認(rèn)為Nilsson的想法十分重要,。雖然研究人員稱贊了Nilsson團(tuán)隊使用的技術(shù)，但卻對其結(jié)論提出了質(zhì)疑,。英國科技設(shè)施委員會盧瑟福·阿普爾頓實驗室的Alan Soper就指出,，指向臨界點的試驗證據(jù)幾乎為零,。“Nilsson在試驗中發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)不僅很微弱,，而且有著多種可能的解釋,，其中之一是在其附近應(yīng)該有第二臨界點?！?/p>

另一位懷疑者,，加州大學(xué)伯克利分校的Rich Saykally說：“需要更多的證據(jù)而不是這些漂亮的新結(jié)果來說服眾多的專家?！?正如對Poole和Stanley的批評,，Saykally認(rèn)為，其結(jié)果可能只是水在低溫下凝固時的特殊現(xiàn)象,。

瑞士日內(nèi)瓦,，羅訥河和咸水的阿爾沃河交匯,。Henryk Sadura / Alamy Stock Photo

但在今年3月，新的證據(jù)再次出現(xiàn),。阿姆斯特丹大學(xué)的Sander Woutersen團(tuán)隊采用了完全不同的思路,，他們嘗試了另一種使水降溫時停止結(jié)冰的方法：防凍劑,。他們所用的防凍劑有著和水相似的分子結(jié)構(gòu),，能夠溶解并混合在周圍液體中,。當(dāng)混合物降溫時，它的密度出現(xiàn)突然變化,。因為溶液和純水的結(jié)構(gòu)非常相似，他們認(rèn)為結(jié)果表明水確實有第二臨界點,。普林斯頓大學(xué)的Pablo Debenedetti 也認(rèn)為,，這項工作支持了水由兩相組成的觀點，但對于這是否為最終結(jié)論,，他仍持保留意見,。

這項工作花了整整26年,，而就在幾個月之內(nèi),，兩組優(yōu)秀的實驗團(tuán)隊相繼為Poole和Stanley的預(yù)測提供了堅實的數(shù)據(jù)?！翱茖W(xué)就是這樣有趣,。”Stanley說道,。

賦予生命的液體

如果這一理論是正確的,，其影響不僅限于Nilsson和Woutersen在實驗室中創(chuàng)造出的奇異形式?！斑@些討論都可以上升到室溫,，也適用于生命?！盢ilsson說,。Debenedetti也表示同意：“這些效應(yīng)的影響十分深遠(yuǎn)，不僅僅是臨界點,。水在周圍環(huán)境中的特性的確反映了其過冷時的特性,。”

在倫敦南岸大學(xué)的Martin Chaplin看來,，水在低溫下存在兩種結(jié)構(gòu),，能夠很好地解釋我們在室溫和大氣壓下看到的水的奇特行為。比如，低于4°C的液態(tài)水密度比冰大這一事實,，是因為加熱使水的無序性下降,，形成密度更大的結(jié)構(gòu)；水的高比熱容,，則是因為吸收的能量使得水分子從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N,。而水壓力下的擴(kuò)散能力（例如在身體中），則是由于高壓下無序結(jié)構(gòu)的流動性在增加,。

對于Stanley來說,，這說明水對我們的存在而言十分重要，第二臨界點處密度的巨大漲落可能是生命出現(xiàn)的原因之一,。Debenedetti則在繼續(xù)驗證這一猜想,。他現(xiàn)在正用計算機(jī)模型來標(biāo)記蛋白質(zhì)在不同溫壓條件下，尤其是第二臨界點附近的行為,。Debenedetti說他對在極端條件下蛋白質(zhì)如何和兩種密度不同的液態(tài)水相互作用極為感興趣,。

然而，首先要確定的仍然是這一結(jié)論正確與否,。后續(xù)實驗有可能徹底解決這個問題,。Nilsson決定去往韓國找到第二臨界點的確切證據(jù)。如果他能成功,，那么水的神秘行為將變得清晰起來,；而水本身，將變得比以往更加奇特,。

原文鏈接：

https：//www.newscientist.com/article/mg23831800-100-h2oh-water-is-actually-two-liquids-disguised-as-one/

來源：環(huán)球科學(xué)ScientificAmerican