時(shí)間:?2018年06月13日?| 作者:?Admin?| 來(lái)源:?科研圈（linkresearcher.com）

地球上最珍貴的液體其實(shí)是非常奇特的，正是它的奇特之處讓我們賴(lài)以生存。近期，有實(shí)驗(yàn)揭開(kāi)了水的真面目：水不是一種液體，而是兩種。?

地球上最珍貴的液體其實(shí)是非常奇特的，正是它的奇特之處讓我們賴(lài)以生存。近期，有實(shí)驗(yàn)揭開(kāi)了水的真面目：水不是一種液體，而是兩種。

把大部分職業(yè)生涯都用來(lái)研究水的安德斯·尼爾森（Anders Nilsson）表示：“水真的太神奇了。”他的觀點(diǎn)我們可能很難理解——畢竟還有什么能比水更普通？它的特性早已人盡皆知，外觀也尋常不過(guò)，以至于我們被它迷惑，覺(jué)得水或多或少和其他的物質(zhì)是一樣的。但實(shí)際上，水的奇特之處獨(dú)一無(wú)二，如果不是這樣的話我們誰(shuí)都不會(huì)注意到它。

比如說(shuō)，如果 4°C 的水比冰的密度小，那么湖泊和河流就會(huì)從底部開(kāi)始結(jié)冰，里面的魚(yú)類(lèi)也會(huì)被逐漸凍死；如果水吸收熱量的能力沒(méi)有那么強(qiáng)，那么我們整顆星球早就沸騰起來(lái)了；如果水分子在沿著靜脈流淌、透過(guò)細(xì)胞膜的時(shí)候，不能攜帶足夠的化學(xué)物質(zhì)，那么動(dòng)植物就都會(huì)死于營(yíng)養(yǎng)不良。

至少?gòu)馁だ詴r(shí)代起，科學(xué)家們就一直在探索水的奇異性，但都徒勞無(wú)功。直到現(xiàn)在，尼爾森等人的工作終于能讓我們對(duì)水的特性一窺究竟。他們給出的解釋和水本身一樣奇妙：水不是一種液體，而是兩種。

水的示意圖 圖片來(lái)源：Lotus Studio

在某種程度上，水有多種的形式，這并不奇怪。根據(jù)溫度和壓強(qiáng)的不同，水有三相：固相、液相和氣相。水在海平面上的沸點(diǎn)是 100℃ ；但是在高海拔地區(qū)，隨著氣壓的降低，水能夠在更低的溫度下沸騰——這節(jié)省了煮茶的時(shí)間，但是煮出來(lái)的茶并不好喝。

在大多數(shù)情況下，液相和氣相有明顯區(qū)別。但增加溫度和壓強(qiáng)，兩相會(huì)開(kāi)始變化。隨著壓縮程度的增大，氣相會(huì)表現(xiàn)出液相的性質(zhì)；同樣，隨著溫度的升高，液相也會(huì)逐漸表現(xiàn)出氣相的性質(zhì)。如果壓強(qiáng)或溫度足夠大，直到達(dá)到一種稱(chēng)為“臨界點(diǎn)”的微妙平衡，你就很難將兩相區(qū)分開(kāi)來(lái)。只要稍稍降低溫度或壓強(qiáng)，水就又回到了單相狀態(tài)。

普通又神奇的水

這就是為什么水其實(shí)是兩種液體的原因。不考慮壓力的話，幾乎所有物質(zhì)都有一個(gè)高溫的氣-液相轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)，少數(shù)材料在存在低溫的第二臨界點(diǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，如果你把液態(tài)硅和鍺的混合物在適當(dāng)條件下冷卻，你能得到一種由兩種密度不同的液體組成的“混合液體”。這兩種液體原子組成相同但構(gòu)型不同，因此性質(zhì)也不一樣。

盡管第二臨界點(diǎn)很特殊，但這僅能做學(xué)術(shù)研究之用。如果你不是研究液態(tài)硅的專(zhuān)家，那你可能并不會(huì)注意到這些問(wèn)題。

不過(guò)在 1992 年，波士頓大學(xué)（Boston University）的彼得·普爾（Peter Poole）和吉恩·斯坦利（Gene Stanley）的團(tuán)隊(duì)推翻了傳統(tǒng)的觀點(diǎn)。先前有實(shí)驗(yàn)表明，低溫下水的密度會(huì)發(fā)生起伏，溫度越低，密度起伏越大。他們對(duì)這一與先前的預(yù)測(cè)相矛盾的現(xiàn)象很感興趣。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，溫度越低，密度起伏應(yīng)該越小。

圖片來(lái)源：GIFER

為了探究現(xiàn)象背后的微觀機(jī)制，普爾和斯坦利的團(tuán)隊(duì)模擬了水過(guò)冷的過(guò)程，即小心地將水冷卻，保證其在溫度低于凝固點(diǎn)時(shí)還保持液相。模擬結(jié)果顯示，過(guò)冷的水中確實(shí)存在密度起伏，且密度起伏隨溫度降低而增大。研究變得越來(lái)越有意思了。

普爾和斯坦利的團(tuán)隊(duì)推測(cè)這是第二臨界點(diǎn)的特征：達(dá)到第二臨界點(diǎn)時(shí)，水會(huì)分裂成兩種密度不同的液體——每種各為一相；超過(guò)這個(gè)臨界點(diǎn)后，兩相難以區(qū)分，水會(huì)在兩相間迅速變化。由于兩相性質(zhì)不同，水在轉(zhuǎn)變成任何一相時(shí)都會(huì)發(fā)生密度的快速改變，從而形成第二臨界點(diǎn)。

他們認(rèn)為水可能有兩個(gè)臨界點(diǎn)，這種觀點(diǎn)與主流相悖。尼爾森說(shuō)：“與水有關(guān)的一切都存在爭(zhēng)議?！贝蠖鄶?shù)研究者認(rèn)為水的性質(zhì)可以用更常規(guī)的理論來(lái)解釋。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，在非常低的溫度下，過(guò)冷的水會(huì)轉(zhuǎn)變成一種無(wú)序的固體，而不是具有晶體結(jié)構(gòu)的冰。還有人認(rèn)為這種所謂的第二臨界點(diǎn)，其實(shí)是水凝固時(shí)的一種特殊現(xiàn)象。

遲到了 26 年的證據(jù)

普爾和斯坦利的團(tuán)隊(duì)很清楚，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)“第二臨界點(diǎn)”的設(shè)想十分困難，幾近不可能。第二臨界點(diǎn)的溫度在 -45℃，在如此低的溫度下過(guò)冷的水會(huì)自發(fā)結(jié)晶成冰。斯坦利說(shuō)：“最大的挑戰(zhàn)在于，如何非常非常迅速地將水冷卻。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的人需要非常聰明?！?/p>

瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的尼爾森無(wú)法拒絕這一挑戰(zhàn)的誘惑。他和他的團(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直專(zhuān)注于研究水的奇特性，對(duì)普爾和斯坦利兩種液體的構(gòu)想很感興趣。21 世紀(jì)初在室溫、常壓條件下對(duì)水的研究讓尼爾森確信，水分子或許存在兩種不同的排布：一種是密排無(wú)序的，一種具有有序的四面體排布，密度也更低。他的實(shí)驗(yàn)表明，在室溫條件下，低密度的有序相團(tuán)簇隨機(jī)分布在高密度的無(wú)序相中。但同事并不認(rèn)可他的觀點(diǎn)。

水分子的排布結(jié)構(gòu)：低密度下的四面體排布（左）和高密度下的無(wú)序排布。

隨后在 2008 年的一系列會(huì)議上，他不再局限于外圍的研究，認(rèn)識(shí)了許多研究過(guò)冷水的同僚。尼爾森很快發(fā)現(xiàn)他們的觀點(diǎn)可以結(jié)合在一起。他說(shuō)，畢竟水是一種物質(zhì)：“不能在室溫下是一個(gè)樣子，到了過(guò)冷條件下又是另外一個(gè)樣子?！蹦釥柹J(rèn)為機(jī)會(huì)來(lái)了?！斑@個(gè)領(lǐng)域幾乎全是理論學(xué)家，還沒(méi)做過(guò)什么實(shí)驗(yàn)，很適合我去涉足?！?/p>

尼爾森把證明水存在第二臨界點(diǎn)的重點(diǎn)，放在了驗(yàn)證普爾和斯坦利的關(guān)鍵預(yù)測(cè)上，即過(guò)冷的水隨著溫度變低會(huì)產(chǎn)生密度起伏。實(shí)驗(yàn)計(jì)劃很簡(jiǎn)單：測(cè)量出密度起伏，然后通過(guò)改變溫度來(lái)加大起伏的幅度。沿著這條路徑——斯坦利將其用一位化學(xué)家先驅(qū)維多姆（Widom）來(lái)命名——最終就能達(dá)到第二臨界點(diǎn)。羅馬第三大學(xué)（Roma Tre University）的理論物理學(xué)家寶拉·加洛（Paola Gallo）贊同道“：一旦實(shí)現(xiàn)了維多姆路徑，肯定能觀察到臨界現(xiàn)象?！?/p>

著名化學(xué)家 Benjamin Widom

但是實(shí)驗(yàn)做起來(lái)卻一點(diǎn)也不簡(jiǎn)單。因?yàn)樗畷?huì)在微小的雜質(zhì)周?chē)Y(jié)成冰晶，尼爾森必須要對(duì)抗水凝固的傾向。2017 年，使用韓國(guó)最先進(jìn)的設(shè)備，尼爾森的團(tuán)隊(duì)將超純水滴入真空室中，冷卻到了 -45°C 。在水滴滴落的過(guò)程中，尼爾森測(cè)量了水滴體積的變化，從而得到了水滴密度隨壓力變化的關(guān)系。

2017 年 12 月，尼爾森等人發(fā)表了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，展示了在過(guò)冷水凝固之前抓拍到的照片。同時(shí)，研究者認(rèn)為他們找到了維多姆路徑存在的誘人證據(jù)，這一路徑將引導(dǎo)大家發(fā)現(xiàn)第二臨界點(diǎn)。（論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/358/6370/1589）

尼爾森團(tuán)隊(duì)在論文附加材料中展示的照片

加洛認(rèn)為尼爾森的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常重要，但其他研究人員盡管對(duì)該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)大加贊賞，但對(duì)他們得到的結(jié)論卻持懷疑態(tài)度。位于英國(guó)哈韋爾（Harwell）的科學(xué)與技術(shù)設(shè)施理事會(huì)（STFC）盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室（Rutherford Appleton Laboratory）的艾倫·索普(Alan Soper)表示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明存在臨界點(diǎn)的證據(jù)“接近于零”?！澳釥柹^察到的體積變化非常小，存在許多可能的解釋?zhuān)诙R界點(diǎn)的存在只是各種可能中的一種?！?/p>

加州大學(xué)伯克利分校（the University of California，Berkeley）的里奇·薩凱利（Rich Saykally）也持懷疑態(tài)度：“用花里胡哨的結(jié)果說(shuō)服不了專(zhuān)家，還需要更多的證據(jù)?！焙推諣柡退固估磳?duì)者一樣，他認(rèn)為這些結(jié)果能用水在低溫下凝固時(shí)的特殊現(xiàn)象來(lái)解釋。

不過(guò)在 2018 年 3 月，另一組證據(jù)的出現(xiàn)告訴我們，水還有可研究之處。不同于尼爾森的實(shí)驗(yàn)，阿姆斯特丹大學(xué)（the University of Amsterdam）的桑德·沃特森（Sander Woutersen）使用了另一種方法來(lái)防止水凝固結(jié)晶：防凍劑。他們精心選取了一種與水分子結(jié)構(gòu)相似的防凍劑，可以很好地溶解在周?chē)囊簯B(tài)水當(dāng)中。當(dāng)把上述混合物冷卻時(shí)，它的密度發(fā)生了突變。因?yàn)檫x取的溶質(zhì)與純水結(jié)構(gòu)非常相似，他們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠證明水確實(shí)存在第二臨界點(diǎn)。普林斯頓大學(xué)（Princeton University）的巴勃羅·德貝尼代蒂（Pablo Debenedetti）稱(chēng)贊：“這項(xiàng)工作非常漂亮?！彼J(rèn)為這項(xiàng)結(jié)果支持了“水由兩相組成”的觀點(diǎn)，但并不能將研究畫(huà)上句號(hào)。

雖然花了 26 年的時(shí)間，但兩組嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)學(xué)家終于給普爾和斯坦利的猜測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果——相隔時(shí)間僅有幾個(gè)月。斯坦利說(shuō)：“科學(xué)就是這么有意思。”

生命之源

如果這個(gè)理論是正確的，那么其后果和影響并不僅限于尼爾森和沃特森在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出的水的特殊狀態(tài)。尼爾森說(shuō)：“所有這些討論都涉及到常溫狀態(tài)和生命?！钡马f內(nèi)德蒂（Debenedetti）表示同意：“實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響深遠(yuǎn)，解決的不僅僅是臨界點(diǎn)的問(wèn)題。水是一種流體，在外界環(huán)境中的性質(zhì)能夠反映出過(guò)冷時(shí)的特性?！?/p>

瑞士日內(nèi)瓦羅納河與的阿夫河匯合處 攝影：Henryk Sadura / Alamy Stock

倫敦南岸大學(xué)（London South Bank University）的馬丁·卓別林（Martin Chaplin）認(rèn)為，水在低溫下具有兩種不同結(jié)構(gòu)的理論，可以很好地解釋水在常溫常壓下的異?，F(xiàn)象。比如 4℃ 水的密度比冰大，是因?yàn)樗S著溫度的上升會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊臒o(wú)序相；水具有極佳的吸熱能力，是因?yàn)闊崃繒?huì)使水分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從一相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪幌?；水在壓力下擴(kuò)散能力依然很強(qiáng)，是因?yàn)樵诟邏合抡贾鲗?dǎo)地位的無(wú)序相具有很強(qiáng)的流動(dòng)性。

斯坦利認(rèn)為，考慮到水對(duì)生命的重要性，水在第二臨界點(diǎn)附近的密度大幅起伏可能是有助于生命出現(xiàn)的一個(gè)重要因素。德韋內(nèi)德蒂正試圖驗(yàn)證這一假設(shè)。他打算用計(jì)算機(jī)模擬出蛋白質(zhì)在不同溫度和壓力下，尤其是第二臨界點(diǎn)附近的行為。德韋內(nèi)德蒂對(duì)在這些極端條件下，蛋白質(zhì)與高/低密度兩種形態(tài)的液態(tài)水之間的相互作用很感興趣。

但第一步是要確認(rèn)上述假設(shè)的正確性。晚些時(shí)候的實(shí)驗(yàn)可能會(huì)為此問(wèn)題蓋棺定論。尼爾森計(jì)劃返回韓國(guó)，進(jìn)一步推進(jìn)第二臨界點(diǎn)和維多姆路徑的研究。如果實(shí)驗(yàn)成功，關(guān)于水奇特性質(zhì)的謎團(tuán)將會(huì)被解開(kāi)——而水會(huì)變得比以往更加神奇。