水到冰的过程示意图(零下液态水，结构二合一，过冷水奥秘与用途的多样性)

Posted 2023-05-30

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水到冰的过程示意图(零下液态水，结构二合一，过冷水奥秘与用途的多样性)

简介：“过冷水”研究取得新成果，研究表明过冷水在结构上不仅相对稳定，而且总是以两种结构同时存在，且水的快速结冻过程可以用来探测暗物质。

当水足够冷，它就会变成冰。但是如果你熟知的看似最明显的物理经验是错的该怎么办呢？如果水仅仅是越变越冷呢？

自然中的结冰现象

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在适当的条件下，这可能发生。它叫做“过冷水”，这是一种在冰点之下还保持着液态的水。它实际上是两种液体合二为一的产物。

周四一项发表在《科学》杂志上的研究调查了这一非常状况的性质，并且指出即便是地球上最常见的物质也有许多内容需要我们去了解。

图解：水承载着生命亦是生活中最常见的物质

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水本身有很多奇怪的性质。太平洋西北国家实验室的格雷格·基梅尔与物理学家布鲁斯·凯一起研究了25年的水，他之所以被水所吸引，不仅是因为水本身的广泛熟悉性和多种用途，更因为“但凡有液体流淌之处，水总是其中最奇特的。”基梅尔如是对《逆》说道。

他们以冰块举例，当水结冰时，它实际上会膨胀并能让冰块漂浮在上面。“这颗星球上的进化过程不同正是由冰的可漂浮性造成的。”凯这样同《逆》说。

图解：基梅尔对《逆》杂志说：“冷水如何在结冰前到达，这是一个争论激烈的科学议题。”

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但是水转化成冰并不仅仅因为低温。当没有晶种或凝结核让水分子开始形成晶体结构时，水的物质形态就不会改变。为了防止凝结核的形成，水必须不含杂质（杂质可以形成核点）且保持静止（搅动水分子也可以形成核点）。

图解：雪花是水在高空遇凝结核结晶而成

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过冷水为科学家们所熟知，制备过冷水可以为孩子们或在Youtube上做一个不错的科学实验，因为急速的摇动可以猛然为水分子提供凝结核从而使其冻结，同时这也立马免费搞出了一个非常酷炫视觉效果。

但从结构层面上看，谜团层出不穷。液态水在过冷温度下“不仅相当稳定，而且存在于两种结构模体中。这些发现解释了一个长期存在的争论，即深过冷水是否总是在水平衡之前结晶。答案是：不。”基梅尔在一份新闻声明中说。

基梅尔告诉《逆》杂志，“水分子通过平衡可以在结冰之前‘坐’在那儿，就像水一样。”，但在极端低温下水就会开始结冰了。

“当水温足够低时，结冰就会在百万分之一秒内发生。但对到处运动的水分子来说，这已经足够让它们说：‘我已经得到了我想要的结构，我不会改变了。’”

图解：理解水为什么在结冰时会漂浮就足以说明它是一种奇怪的物质

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基梅尔和凯与博士后科学家洛尼·克林格和卫文特·索恩利合作，采用红外光谱学（即红外辐射与物质相互作用）观察当用激光照射冰块几纳秒制备过冷水时，水分子将如何反应。凯将实验开始和停止的过程比作一部“黏土电影”。

激光实验进行了几次，证明所有的结构性变化都是可逆和可重复的。

过冷水有多重潜在的用途：科学家认为它的快速冻结过程可以用于探测暗物质。基梅尔提出它可以在气候研究方面发挥作用，云覆盖情况在温度研究方面起了重要作用，这“与云如何形成和过冷水在大气中结晶有关。”

他还指出，在特定条件下观察过冷水在一毫秒中发生的变化，这些变化或许能称得上是“奥秘”。但考虑到水对人类的重要性，他觉得这一切都值得最大程度的理解。

“如果冰会不漂浮，江和湖在冬天就会自下而上地结冰，我们现在掌握的捕鱼方式也就不复存在了。”基梅尔说道。

冬捕

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摘要：因为由相互博弈的理论所确定的温度和压力数据有限，人们对于水的非寻常性质的基本认识仍模糊不清。我们研究了瞬时加热过冷水膜的结构变化，在用快速激光加热的过程中，淬火到70开尔文（K）之前，每次脉冲持续数纳秒。在明显结晶之前，水的结构从最初的松弛构型变为了稳定构型。在所考察的全温度范围内，所有的结构变化皆可逆，并能通过对高-低温度结构模体的线性组合而重现。随着温度从245开尔文下降到190开尔文，具有高温模体的液体分数迅速下降，这与超临界状态下过冷水的两态“混合物”模型的预测一致。

BY: inverse

FY:脆茶

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