在遠低於冰點的極低溫度下，水能夠以液態形式存在，並且還是兩種液體的混合體。9月18日，這項由美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）完成的研究成果發表在《科學》（Science）雜誌上，提供了難得的實驗數據來解釋水在溫度極低的外太空，以及大氣稀缺的地球環境等極端條件下表現出的古怪特性。

來源 美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）

翻譯 王千玥

編輯 魏瀟

直到現在，可能達到的最極端溫度下的液態水仍是諸多理論與假說爭論的對象。一些科學家們迫切地想知道水可不可能在-83.15℃（190 K）的極低溫度下真實存在，過冷水是否只是液態水轉化為固相這一過程中的“必經之路”？

“我們的研究結果表明，在極冷溫度下液態水不僅僅相對穩定性較好，它還能以兩種結構構象存在。” PNNL 的化學物理學家Greg Kimmel 指出，長期以來，科學家們一直對過冷水是否總在體系達到平衡前結晶這個問題爭議不斷，新研究成果將他們多年的問號拉直成了感嘆號——答案是否定的！

超級過冷水：液體雙城記

你或許覺得我們現在已經很了解水了。水覆蓋了地球上高達71% 的面積，是這個星球上分佈最廣泛、被研究最透徹的物質之一。然而千萬別被它單純的外表騙了：儘管它每個分子僅由2 個H 和1 個O 組成，看起來十分簡單，但H2O 其實很複雜。

比如，水因為低溫而凝固的現象就很“不容易”。水很難在剛好低於熔點的溫度結冰，除非有塵埃或其他固體物質作為凝結核供水分子附著，啟動結冰過程。因此在純水中，分子從液態規律排列形成固體需要額外的擾動。神奇的是，與其他液體不同，從液相轉化為固相時，它的體積會增大。然而，正是水的這個特性滋養著地球上萬物的生長。如果冰塊下沉、大氣中的水蒸氣無法儲存熱量，那麼地球上的生命將不復存在。

水的這種奇妙性質讓化學物理學家Bruce Kay 和Greg Kimmel 25 年來一直為它痴迷。如今，他們同博士後Loni Kringle、Wyatt Thornley 終於取得了里程碑式的進展，拓展了人們對液體水分子行為的理解。

為解釋水不尋常的性質，科學家們提出了多個模型。通過給過冷水拍“快照”（snapshot）生成定格動畫（stop-motion）而獲得的新數據顯示，它能濃縮成高密度、液體狀的結構。這種高密度形式的水與一種低密度結構（與經典水的價鍵結構一致）共存。隨著溫度從-28.15℃ （245 K）降到-83.15℃（190 K），高密度液體的佔比迅速下降，支持了過冷水“混合模型”的預測。

利用紅外光譜儀，Kringle 和Thornley 成功觀察到了用激光摧毀一層薄冰時水分子的定格動畫。他們發現，在短短幾納秒的時間內，過冷液態水便產生了。

圖片來源：Timothy Holland， Pacific Northwest National Laboratory

“一個重要的觀測發現是所有結構變化都是可逆、可重複的”， Kringle 在進行了多個實驗後總結道。

霰：我是過冷水形成的！

當天氣變冷，有時會有小小的白色蓬鬆顆粒從天而降，這種現像被稱為霰。這項研究或許還能解釋為什麼霰是暴風雪的前兆：霰是雪花與大氣上層的過冷液態水相互作用形成的。

圖片來源：facebook

“大氣層上部的液態水是高度冷卻的，” PNNL 實驗室成員、水物理學專家Kay 解釋道，“當它碰到雪花時，液態水迅速冷結冰。在合適的條件下向大地飛去。這大概是很多人對過冷水效應的唯一體驗了。

除了解釋地球上的天氣現象，這些研究還有助於理解液態水是如何在木星、土星、天王星和海王星這些寒冷的星球上存在的。另外，當彗星掃過夜空時，它那美麗耀眼的長尾巴也是過冷水蒸汽形成的。

水分子的全能體操

在地球上，對水分子行為的深入理解可以幫助科學家設計新藥。畢竟，水分子如同一位體操運動員，可以在擁擠的情況下在蛋白質中靈活穿梭，設法卡進蛋白質的位點。

“每個蛋白周圍留給水分子的運動空間並不多，” Kringle 表示，“這項研究闡明了液態水是如何應對緊密堆積的環境的。”

Thornley 還指出，“在今後的研究中，我們可以利用這個新方法來跟踪多種化學反應中的分子重排情況。”

雖然仍有很多未知的事物值得探索，但這些觀測結果將使我們對地球生命之源有進一步理解。