日本理化学研究所和瑞典斯德哥尔摩大学的研究小组利用日本X射线自由电子激光设施的激光器SACLA，成功捕捉到过冷状态水（H2O）的结构，验证了水存在液—液相变的临界点，并能在两种液相间转变。

　　生命离不开水，但人们对水的理解尚不完善。水在温度降低时的密度、热容量、等温压缩率等热力学的特征变化与其他液体呈相反状态，由此引发了对水的热力学特征的长期争论，出现了各种假说。其中一种假说认为，液态水具有密度不同的两个相（物态），并在两个相之间摇摆。但是水在温度下降到接近0℃时（过冷状态），状态不稳，会很快结冰，因此迄今为止验证该假说极为困难。

　　联合研究小组利用SACLA对过冷状态的水滴进行照射，分析了水的结构。SACLA的脉冲宽度为非常短的飞秒级，可以在冷却水结冰之前对各个时段的变化进行测量。研究小组获得了水在各种温度下的数据，通过分析被水滴散射的X射线得到了水的结构，并调查了水冷却时等温压缩率的上升情况。结果发现，等温压缩率在-44℃时为最大，低于此温度时发生反转；把水中的氢原子（H）置换成重氢原子（D）的重水（D2O），等温压缩率温度为-40℃。这些发现表明，水存在液—液相变的临界点，这种相转移影响原子核的量子效应。

　　该研究成果阐释了水的固有热力学形态的起源，相关论文已发表在《科学》杂志网络版。

来源：科技日报

作者：陈超

编辑：曾映雪