過冷水是穩定液體,由 2 種不同密度的結構混成

作者 | 發布日期 2020 年 09 月 18 日 18:27 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


地表 70% 都被水覆蓋,人體與生命本身也不能沒有水,然而水的性質與行為其實還有諸多謎題,比如我們知道水低於 0℃ 就會結冰,但其實水在 0℃ 以下還是有機會維持液態,稱為過冷水。最近一組物理學家團隊對過冷水進行測量,發現過冷水實際上是 2 種液體結構合而為一。

在嚴格條件控制下,液態水在溫度低於攝氏零度(冰點)時也可以不結冰,此時的水稱為過冷水(supercooled water),是在外太空或地球大氣極低溫環境中表現出的奇異行為,為一種自然物理現象。

水是如此常見,它的結構式看起來很簡單(H 2 O,每個分子有 2 個氫原子和 1 個氧原子),但實際上卻有點複雜,比如水在熔點之下反而不會凍結,除非有塵埃雜質可以分子依附;又當水凍結時會膨脹,這和其他液體相比是比較奇怪的行為。

這些特質吸引了美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)化學物理學家 Greg Kimmel、Bruce Kay 的目光,他們為此投入研究已超過 25 年,而最新模型數據表明,過冷水可以濃縮成高密度的液體狀結構並與較低密度的結構共存,兩者根據溫度不同改變比例,比如研究團隊觀察到溫度從 245K 降到 190K,高密度液體結構比例迅速下降。

這項發現有助於解釋霰(音同「線」),這是雷暴天氣時可能會掉落的蓬鬆顆粒。高空大氣中液態水被冷卻至 0℃ 以下,而當過冷水水滴與雪晶接觸就會迅速凝固於雪晶表面(該過程稱為撞凍,accretion),當撞凍持續到看不出原本雪晶外形時即稱為霰。

放眼外太空,該研究可能也有助於了解過冷水如何在木星、土星、天王星、海王星等寒冷星球上存在;或者之前有科學家實驗發現,用不同類型的粒子碰撞過冷水分子時,有一些粒子可觸發過冷水結凍,其他則不會,或許可用來探測暗物質粒子,假如微中子(已探測到的暗物質候選粒子)、大質量弱交互作用粒子(還是假想中的暗物質粒子)碰巧會與過冷水分子相互作用、引起後者凍結,在排除已知粒子之後,就能證實暗物質的存在。

新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:西北太平洋國家實驗室

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