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北京赛车pk10开奖直播:水这种液体的奇异特性,或许是生命存在的

 水是我们最熟习、接触最频繁的物质之一,我们以为本人对它的性质了如指掌。但实践上,科学家却历来没有真正揭开它的真正构造,也难以解释它的很多奇特性质。最近半年,两支团队分别获得的实验数据支持了一个颇为不测的观念:水不是一种液体,而是两种!

  “水真是太奇异了。”说这句话的是近乎整个学术生活都在研讨“水”的化学家Anders Nilsson。这个观念对我们来说或许难以承受,毕竟,还有什么能比水更寻常?水的行为对我们来说是如此熟习,它的表面如此普通 。但是水的奇特也是无独有偶的。假如不是由于它的奇特,我们以至没有时机在这里讨论这个问题。

  我们晓得,水在4°C时密度最大。但假如它的性质不是这样,而是在结冰时密度最大,湖泊和河流会从底部开端结冰,逐渐杀死水中的寓居者;假如水的比热容不是这么大,地球在很久之前就会被烧干;假如水分子在穿越细胞膜时,不能携带其他物质,植物和动物就会死于营养不良。

  从伽利略时期起,科学家们就不断在尝试发掘水的奇特性质,但一直没有收获。往常,经过Nilsson和其同事的工作,我们可能接近于了解为什么水会有这些行为。他们的解释就像水本身一样奇特:水不是一种液体,而是两种。

  水的第二临界点?

  在某些层面上,水具有多种不同的方式,这并不奇异。取决于你观测的压强和温度,水能够是固态、液态或气态的。在海平面,水在100°C时转化为蒸汽,但是在气压较低的高海拔地域,水会在更低的温度下沸腾——时间是省下来了,但是你的茶也被毁掉了。

  在绝大多数状况下,液态和气态是分开的。但是,随着温度和压强的增加,状况开端发作改动。当气体被紧缩到一定水平时,它的行为开端更像是液体;而当液体被加热,它也会趋近于气体的行为。当压强或温度足够高,会抵达一个被称为“临界点”的奇妙均衡点,在这一点你无法辨别你看到的到底是哪一态。而稍微降低压强或温度,水就会回到液态或气态。

  这也是两种液体故事的开端。首先疏忽压强,简直一切物质在高温下都有一个气相和液相交汇的临界点,但是少数资料在低温下还有一个神秘的第二临界点。比方,假如你在恰当条件下冷却液态硅和锗,它们能够转化成两种不同密度的液体:原子组成相同,但是不同的构造赋予了它们不同的性质。

  虽然它们也很奇异,但除了学术上的用处,这些第二临界点并没有惹起太多关注。假如你不是特地研讨液态硅的,这一范畴可能不会惹起你的留意。

  1992年,波士顿大学Peter Poole 和Gene Stanley指导的团队改动了这一场面。他们被一个声称水的密度在低温下存在涨落的实验所吸收:水的温度越低,密度涨落越明显。这和一切的理论预言都南辕北辙。普通而言,物质温度越低,密度涨落越小。

  为了探明终究发作了什么,Poole、Stanley和他们的协作者模仿了水过冷的过程,他们当心地将水降温,使其低于凝固点而依然坚持液态。他们的计算机模仿证明了水在过冷态的密度涨落行为,而且随着温度降低,涨落的确会增大。一些有趣的机制一定在起着作用。

  Poole和Stanley的团队猜测,这是第二临界点的特征:水被辨别成两种密度不同的液体,每一种都在本人的相中;而在第二临界点之上,这两种相难以辨别,水会在这两种相之间快速转变。由于两种物质不同的性质,恣意一种转化成另外一种时,都会招致忽然的密度变化,这一变化在临界点时最为显著。

  他们提出的水有两个临界点的假说可能有一些乖僻。Nilsson说:“任何有关水的事情都存在争议。”更多的研讨者以为水的性质能够用更为传统的方式解释。一种解释是在极低的温度下,过冷态的水转变为一种无序的固体,而不是晶体构造的冰。另一种解释以为,看似是第二临界点的现象,只是水的一种奇特的凝固方式。

  该团队晓得,假如他们关于第二临界点的认识是正确,经过实验考证将极端棘手。临界点所处的温度只要-45°C,即便是过冷态的水也会自发结成冰。“我们所面临的应战是将水极快地冷却下来,” Stanley说,“研讨它需求十分聪明的实验设计。”

  接踵而至的证据

  任职于瑞典斯德哥尔摩大学的Nilsson承受了这一应战。他的团队不断痴迷于水的奇特行为,特别是Poole和Stanley关于两种液体的想象。本世纪初,Nilsson在室温和大气压下工作让他置信水分子能够以两种构造存在:无序的致密堆积,以及密度较低的平均四面体构造。他的实验标明,在这些外界环境下,低密度的相会浮在紊乱的致密相之上。但他也表示,他的同行并不认同这一观念。

Nilsson以为,水分子能够以两种构造存在。Nilsson以为,水分子能够以两种构造存在。

  接着在2008年的一系列会议上,他与研讨过冷水的同事停止了深化的交流。Nilsson很快发现他们的想法开端成形。Nilsson说,毕竟水只是一种物质,“它不可能在室温下和过冷状态下有着不同的描绘。”他看见了将这两种描绘统一的机遇。他说:“让我入迷的是,之前简直没有这方面的实验研讨,大局部都是理论学家的工作。”

  在他尝试证明水也有第二临界点时,Nilsson着重关注Poole和Stanley理论中的关键预言:过冷水的密度在低温下会有涨落。计划很简单:丈量密度涨落,然后改动条件使涨落增加。沿着这条道路(Stanley以物理化学先驱Benjamin Widom命名的Widom线),最终会抵达临界点。“当你有了Widom线,” 罗马第三大学的理论物理学家Paola Gallo说,“一定会呈现临界现象。”

  实践上这项实验一点也不简单。水易于凝结成冰:在微小的杂质四周,会疾速构成冰晶,这是Nilsson需求首先处理的问题。应用韩国的先进设备,2017年,Nilsson的团队取得了极纯的水滴,并把它滴入真空室中、冷却到-45°C。当水滴下落,Nilsson丈量它的体积随压强的变化,从而取得其密度。

  去年12月, Nilsson团队发布了实验结果。在水自发结冰前极短的一段时间内,他们捕捉到了过冷水状态的照片。研讨者表示,他们捕捉到了Widom线的明显痕迹,这条轨迹会指向第二临界点。

  一些研讨人员,例如Gallo,以为Nilsson的想法非常重要。固然研讨人员称誉了Nilsson团队运用的技术,但却对其结论提出了质疑。英国科技设备委员会卢瑟福·阿普尔顿实验室的Alan Soper就指出,指向临界点的实验证据简直为零。“Nilsson在实验中发现的效应不只很微小,而且有着多种可能的解释,其中之一是在其左近应该有第二临界点。”

  另一位疑心者,加州大学伯克利分校的Rich Saykally说:“需求更多的证据而不是这些漂亮的新结果来压服众多的专家。” 正如对Poole和Stanley的批判,Saykally以为,其结果可能只是水在低温下凝固时的特殊现象。

瑞士日内瓦,罗讷河和咸水的阿尔沃河交汇。Henryk Sadura / Alamy Stock Photo瑞士日内瓦,罗讷河和咸水的阿尔沃河交汇。Henryk Sadura / Alamy Stock Photo

  但在今年3月,新的证据再次呈现。阿姆斯特丹大学的Sander Woutersen团队采用了完整不同的思绪,他们尝试了另一种使水降温时中止结冰的办法:防冻剂。他们所用的防冻剂有着和水类似的分子构造,可以溶解并混合在四周液体中。当混合物降温时,它的密度呈现忽然变化。由于溶液和纯水的构造十分类似,他们以为结果标明水的确有第二临界点。普林斯顿大学的Pablo Debenedetti 也以为,这项工作支持了水由两相组成的观念,但关于这能否为最终结论,他仍持保存意见。

  这项工作花了整整26年,而就在几个月之内,两组优秀的实验团队相继为Poole和Stanley的预测提供了坚实的数据。“科学就是这样有趣。” Stanley说道。

  赋予生命的液体

  假如这一理论是正确的,其影响不只限于Nilsson和 Woutersen在实验室中发明出的奇特方式。“这些讨论都能够上升到室温,也适用于生命。” Nilsson说。Debenedetti也表示同意:“这些效应的影响非常深远,不只仅是临界点。水在四周环境中的特性确实反映了其过冷时的特性。”

  在伦敦南岸大学的Martin Chaplin看来,水在低温下存在两种构造,可以很好地解释我们在室温和大气压下看到的水的奇特行为。比方,低于4°C的液态水密度比冰大这一事实,是由于加热使水的无序性降落,构成密度更大的构造;水的高比热容,则是由于吸收的能量使得水分子从一种相转变为另一种。而水压力下的扩散才能(例如在身体中),则是由于高压下无序构造的活动性在增加。

  关于Stanley来说,这阐明水对我们的存在而言非常重要,第二临界点处密度的宏大涨落可能是生命呈现的缘由之一。Debenedetti则在继续考证这一猜测。他如今正用计算机模型来标志蛋白质在不同温压条件下,特别是第二临界点左近的行为。Debenedetti说他对在极端条件下蛋白质如何和两种密度不同的液态水互相作用极为感兴味。

  但是,首先要肯定的依然是这一结论正确与否。后续实验有可能彻底处理这个问题。Nilsson决议去往韩国找到第二临界点确实切证据。假如他能胜利,那么水的神秘行为将变得明晰起来;而水自身,将变得比以往愈加奇特。

来源:未知  时间:2018-06-20 11:19

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