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有力的新证据支持了一个有争议的理论,这个理

更新时间:2020-08-28 10:50点击:

研究探测两种液态水之间的临界点。

水对生命如此普通和必不可少,但其作用方式却令科学家十分困惑。例如,为什么冰的密度比水小,像其他液体一样在结冰时是漂浮的而不是下沉的?

现在,一项新的研究为一个有争议的理论提供了强有力的证据。这个理论认为,在极低的温度下,水可以以两种不同的液体形式存在,一种比另一种密度小,结构更严密。

普林斯顿大学和罗马大学的研究人员对水分子进行了计算机模拟,以发现一种液相转变为另一种液相的临界点。这项研究发表在本周的《科学》杂志上。

临界点的存在为水的奇怪现象提供了一个非常简单的解释。普林斯顿大学研究部主任Pablo Debenedetti说。他是工程学和应用科学教授、化学和生物工程学教授,1950年毕业。找到临界点,就等于找到一个很好、很简单的解释,解释了使水变得奇怪的许多因素,尤其是在低温下。

水的奇怪之处在于,当水冷却时,它会膨胀而不是收缩,这就是为什么冻结水的密度比液态水小。水也变得更具有可挤压性。或可压缩本;在较低的温度。至少有17种方式可以让它的分子在冷冻时排列。

临界点是物质的两相无法区分的温度和压力的唯一值,它发生在物质从一相转变成另一相之前。

德贝内代蒂说,水的奇怪现象很容易用临界点的存在来解释。在远离临界点本身的地方,物质的性质可以感觉到临界点的存在。在临界点,可压缩性和其他衡量分子行为的热力学指标,如热容,是无穷大的。

通过使用两种不同的计算方法和两种高度真实的水计算机模型,研究小组确定了液-液临界点在大约190至170开尔文(大约-117至-153华氏度)的范围内,大约是海平面大气压的2000倍。

几十年来,研究人员一直在寻找水的异常性质的潜在物理解释,对于这些研究人员来说,临界点的发现是令人满意的一步。几十年前,物理学家提出了将水冷却到低于冰点的温度,同时保持其液态的理论。“;supercooled”发生在高空云中的状态;会在足够高的压力下暴露水的两种独特的液体形式。

为了验证这一理论,研究人员求助于计算机模拟。迄今为止,对真实水分子的实验还没有提供临界点的明确证据,部分原因是过冷的水有迅速冻结成冰的趋势。

1992年,罗马萨皮恩扎大学(Sapienza University of Rome)的物理学教授弗朗西斯科·西奥蒂诺(Francesco Sciortino)作为博士后研究人员进行了第一次此类模型研究。这项研究发表在《自然》杂志上,首次提出在两种液体形式之间存在一个临界点。

这项新发现让Sciortino非常满意,他也是《科学》杂志上这项新研究的合著者。今天使用的新研究采用了更快、更强大的研究计算机和更新、更准确的水模型。即使使用今天功能强大的研究计算机,这种模拟也只花了大约1.5年的计算时间。

你可以想象当我们开始看到临界波动完全按照预期的方式运行时的喜悦。Sciortino说。现在我可以睡个好觉了,因为25年过去了,我最初的想法已经得到了证实。

就水的两种液态形式而言,这两种相在低于冰点的温度和足够高的压力下共存于不稳定的平衡中。当温度下降时,两种液相就会进行拉力赛,直到其中一种胜出,整个液体就会变得低密度。

普林斯顿大学博士后研究员Gül Zerze和罗马的Sciortino进行了模拟,当他们将温度降至低于冰点的过冷范围时,水的密度正如预测的那样剧烈波动。

泽尔兹说,水的一些奇怪行为可能是它赋予生命的特性背后的原因。生命的液体是水,但我们仍然不知道为什么水不能被其他液体代替。我们认为这与水的异常行为有关。其他的液体则没有这些表现,所以这必然与作为生命的液体的水有关。

水的这两种状态的出现是因为水分子的形状可以导致两种方式的聚集在一起。在密度较低的液体中,四个分子聚集在中间的第五个一分子周围,形成一个称为四面体的几何形状。在密度较高的液体中,第6个分子挤压进来,从而增加了局部密度。

该小组在两种不同的水的计算机模型中检测到了临界点。对于每个模型,研究人员对水分子使用两种不同的计算方法来寻找临界点。这两种方法都能求出临界点。

加拿大圣弗朗西斯泽维尔大学(St. Francis Xavier University)的物理学教授彼得普尔(Peter Poole)说,这一结果令人满意。1992年,他与西奥尔蒂诺合作撰写了《自然》杂志上的那篇论文,当时他还是一名研究生。有了这个新结果,真令人欣慰。他说。自1992年以来,我们经历了漫长的、有时是孤独的等待,才在现实的水模型中看到另一种明确的液-液相转变的情况。

C. Austen Angell,亚利桑那州立大学的摄政教授,是在20世纪70年代进行过冷水性质实验的先驱之一。毫无疑问,这是模拟水物理的一个英勇的努力,一个非常有趣的,受欢迎的结论,安吉尔没有参与目前的研究,他在一封电子邮件中说。作为一名能够对真实水进行长期物理平衡测量的实验工作者,我一直觉得安全。来自计算机模拟器的抢占。但新论文中提供的数据表明,这已不再是事实。

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对两种实际水模型的第二临界点进行了研究。由Pablo G. Debenedetti、Francesco Sciortino和Gü l Zerze合著的,发表在7月17日的《科学》杂志上。DOI: 10.1126 / science.abb9796。

普林斯顿大学的模拟进行了研究计算,组成的一个财团组织包括普林斯顿大学计算科学与工程研究所(PICSciE)和办公室信息Technology’高性能计算中心和可视化在普林斯顿大学的实验室,和计算资源管理和支持Sapienza大学物理系的罗马。该研究由美国国家科学基金会(grant CHE-1856704)提供支持。