水在足夠冷的條件下會結冰，這是一個無人反對的命題。但你可能并不知道，這一讓大家視為常識的物理現象并不始終正確。實際上，水可以在溫度達到零度以下仍不結冰，而維持液態(tài)的形態(tài)。

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這一現象在適當的條件下是會發(fā)生的，即所謂的“過冷水”—溫度在凝固點以下的液態(tài)水。在這個微妙的臨界點處，水由兩種密度不同的“水”組成。也就是說，此時的水不是一種液體，而是兩種液體。

《科學》雜志上發(fā)表的一篇研究探討了這一不尋常現象的性質，并且表明，盡管水是地球上最尋常的物質，我們對它的研究卻遠遠不夠。

（圖解：一項新研究證實，過冷水有兩種形式：底部高密度形式和頂部低密度形式。 ?
圖源：航躍科技）

水本身具有許多奇特的性質。太平洋西北國家實驗室的格雷格·金梅爾（Greg Kimmel）在過去的25年中一直與物理學家布魯斯·凱（Bruce Kay）合作研究水。他們之所以對水如此著迷，不僅是因為水為人熟知、用途廣泛，而且還因為“就目前所知，水比大多數物質都更加神秘，”金梅爾在雜志《逆》采訪時說。

他們用冰塊舉例—當水凍結時，自身密度變小，導致體積變大，使冰塊能漂浮在水面上。 凱在采訪時說：“地球生命的演化過程是特別的，因為冰會漂浮在水上而不是沉在水底?！?/p>

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（圖解：水在多冷時一定會結冰？這仍舊是一個被爭論的議題——金梅爾在采訪時說。 圖源：Tatsiana Volskaya/Moment/Getty Images）

實際上，“過冷水”會出現的原因是因為低溫并不是水結冰的唯一條件。還有很重要的一點是：如果水中沒有晶種（該物質自身的晶體）或凝結核能夠使水分子開始形成晶體結構，水的物質形式就不會改變。如果你想制造過冷水，那請確保以下兩點：第一，水中必須不含雜質，雜質可能導致形成成核位置；第二，保持水的靜止狀態(tài)，不要搖晃它，因為分子在攪動時也能形成成核位置。

過冷水是被科學家們所熟知的。因為突然的晃動能為水分子凍結提供所需的凝結核，（例如，你可以嘗試冷凍一段時間一瓶礦泉水，從冰箱慢慢拿出來，然后用力敲擊一下瓶身。）這一讓水迅速從液相轉化為固相的過程所帶來的視覺體驗，不亞于魔術表演—它可以被用來當做給孩子們展示的一次科學實驗，或者錄成視頻上傳到油管上。

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如果用科學的語言來解釋這一現象，就需要引入分子結構這一話題?！斑^冷溫度下的液態(tài)水的分子結構不僅已變得相對穩(wěn)定，而且同時存在兩種結構基序。這些發(fā)現解釋了一個長期存在的爭論，那就是，深度過冷水是否必須達到結晶狀態(tài)后才能說明其分子結構是平衡的？恐怕答案是否定的?！苯鹈窢柭暶髡f。

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梅爾表示，在達到平衡之前，水分子可以維持液態(tài)的分子結構，當溫度達到極低的條件，水即將結冰。

（圖解：水分子的排布結構：低密度下的四面體排布（左）和高密度下的無序排布。 圖源：環(huán)球科學）

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在如此冷的情況下，水凍結可能只需一百萬分之一秒。但是對于此前周圍活躍的水分子來說，這點時間足以讓他們保持著想要的結構而無需改變?！苯鹈窢栒f。

（圖解：理解為什么水在結冰后會漂浮，會感受到它的奇妙。 圖源：Adam Hester/The Image Bank/Getty Images）

金梅爾和凱與科學家—博士后洛尼·克林格（Loni Kringle）和懷亞特·索恩利（Wyatt Thornley）一起，使用紅外光譜法。這種研究方法通過紅外輻射與物質的相互作用，觀察激光發(fā)射在冰塊上時水分子的反應，從而在幾納秒內制造出過冷液態(tài)水。 凱將這一過程比作了“黏土動畫”。

進行了數次的激光測試證明，所有分子結構的變化都是可逆并可復制的。

過冷水有許多潛在用途。有科學家提議，過冷水的快速冷凍過程或許可以用于檢測暗物質。金梅爾則建議令其在氣候研究中發(fā)揮作用，并指出，云層覆蓋在氣溫中起著重要作用，因為這與“云層的形成方式以及大氣中過冷水的結晶方式有關”。

他還說，觀測在某些條件下過冷水的迅速變化也許是“過于深奧的”。 但是考慮到水對人類至關重要，他仍認為對其充分的了解是值得的。

金梅爾說：“如果冰不是水上漂浮的，那么在冬天，湖泊和河流將自下而上全部結冰，那么我們所熟悉的魚類等水生生物也就不會存在了?！?/p>

摘要:由于不同理論之間競爭激烈，在當中進行選擇研究時所需的溫度和壓力的數據資源有限，因此對水的異常性質的基本了解仍然難以推進。我們研究了過冷水被瞬態(tài)加熱時的結構轉變錄像，它展現了用激光快速加熱過冷水至70開爾文（K）的過程，每個脈沖進行了幾納秒。 在明顯結晶之前，水的結構從其初始結構松弛到穩(wěn)定結構。 在所研究的整個溫度范圍內，通過高溫和低溫結構基序的線性組合，所有結構變化都是可逆并且可重復的。 隨著溫度從245 K降低到190 K，具有高溫結構基序的液體比例迅速下降，這與超臨界狀態(tài)下過冷水是兩種狀態(tài)的“混合物”這一模型的預測相符。

FY：Gigi Wei

BY：Inverse

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