超臨界水是一種神秘的狀態，水的行為既像液體又像氣體，長期困擾著科學家。德國研究人員利用太赫茲光譜和強大的模擬技術，最終推翻了一個關鍵理論——水分子在這種狀態下會形成氫鍵簇。團隊建造了一個專門的高壓室，發現超臨界水的行為與氣體非常相似，缺乏液態水中的持久氫鍵。模擬證實，分子之間的相互作用是短暫而無序的。

德國波鴻魯爾大學的研究人員對超臨界水的結構有了新的認識，超臨界水是一種獨特的狀態，在這種狀態下，水的行為既像液體又像氣體。此狀態僅在極端條件下才會出現：溫度高於374°C，壓力高於221 巴。

一個長期存在的理論認為，在這種狀態下，水分子會形成由氫鍵結合在一起的簇。然而，波鴻團隊現在利用太赫茲光譜和分子動力學模擬相結合的方法推翻了這個想法。他們的研究結果於2025 年3 月14 日發表在《科學進展》雜誌。

超臨界水在自然界中很常見，例如深海熱液噴口（又稱黑煙囪）周圍，那裡存在著極高的壓力和熱量。了解其分子結構可以幫助科學家更好地解釋這些環境中發生的化學反應。

多明尼克·馬克思(Dominik Marx) 表示：「了解超臨界水的結構可以幫助我們闡明黑煙囪附近的化學過程。」他指的是他的研究小組最近發表的一篇關於這個主題的論文。 “由於其獨特的性質，超臨界水作為化學反應的’綠色’溶劑也備受關注；這是因為它既環保，又具有很強的反應性。”

為了提高超臨界水的可用性，有必要更詳細地了解其內部過程。 Martina Havenith 的團隊為此使用了太赫茲光譜。雖然可以使用其他光譜方法來研究分子內的氫鍵，但太赫茲光譜可以靈敏地探測分子之間的氫鍵- 因此可以檢測到超臨界水中的簇的形成（如果有的話）。

實現高壓突破

「在實驗中，將這種方法應用於超臨界水是一個巨大的挑戰，」Martina Havenith 解釋道。 「我們需要的太赫茲光譜高壓池直徑是其他任何光譜範圍的十倍，因為我們的工作波長更長。」在撰寫博士論文期間，Katja Mauelshagen 花費了大量時間設計和建造一個新的、合適的池，並對其進行優化，使其儘管尺寸較小，但可以承受極端的壓力和溫度。

波鴻研究團隊成員：Martina Havenith、Philipp Schienbein 和Gerhard Schwaab（由左至右）。圖片來源：RUB、Marquard

重寫分子圖景

最終，實驗人員成功記錄了即將進入超臨界狀態的水以及超臨界狀態本身的數據。雖然液態和氣態水的太赫茲光譜差異很大，但超臨界水和氣態水的光譜看起來幾乎相同。這證明水分子在超臨界狀態下形成的氫鍵與氣態一樣少。 「這意味著超臨界水中沒有分子團簇，」Gerhard Schwaab 總結道。

多明尼克·馬克思團隊的一名成員菲利普·希恩拜因在其博士論文中使用複雜的從頭分子動力學模擬計算了超臨界水中的過程，他得出了同樣的結論。就像在實驗中一樣，首先必須克服幾個障礙，例如在虛擬實驗室中確定水的臨界點的精確位置。

短暫鍵定義超臨界水

從頭算模擬最終表明，超臨界狀態下的兩個水分子在分離之前只能保持短暫的接近。與氫鍵不同，氫原子和氧原子之間的鍵沒有優先取向，這是氫鍵的關鍵特性。氫氧鍵的方向會永久旋轉。

Philipp Schienbein 強調：「這種狀態的鍵壽命極短：比液態水中的氫鍵短100 倍。」模擬結果與實驗數據完美匹配，現在提供了超臨界狀態下水的結構動力學的詳細分子圖。

編譯自/ ScitechDaily