水不是一种液体,而是两种?!这种奇异特性,或是生命存在的关键

2018-06-26 来源 : 环球科学

  

  水是我们最熟悉、接触最频繁的物质之一,我们以为自己对它的性质了如指掌。但实际上,科学家却从来没有真正揭开它的真正结构,也难以解释它的很多奇特性质。最近半年,两支团队分别取得的实验数据支持了一个颇为意外的观点:水不是一种液体,而是两种!

  撰文 | Katharine Sanderson

  翻译 | 张克文

  审校 | 吴非

  “水真是太奇怪了。”说这句话的是近乎整个学术生涯都在研究“水”的化学家Anders Nilsson。这个观点对我们来说或许难以接受,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悉,它的外表如此普通 。但是水的奇特也是独一无二的。如果不是因为它的奇特,我们甚至没有机会在这里讨论这个问题。

  我们知道,水在4°C时密度最大。但如果它的性质不是这样,而是在结冰时密度最大,湖泊和河流会从底部开始结冰,逐步杀死水中的居住者;如果水的比热容不是这么大,地球在很久之前就会被烧干;如果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。

  从伽利略时代起,科学家们就一直在尝试挖掘水的奇异性质,但始终没有收获。如今,通过Nilsson和其同事的工作,我们可能接近于理解为什么水会有这些行为。他们的解释就像水自身一样奇特:水不是一种液体,而是两种。

  水的第二临界点?

  在某些层面上,水具有多种不同的形式,这并不奇怪。取决于你观测的压强和温度,水可以是固态、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区,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。

  在绝大多数情况下,液态和气态是分开的。然而,随着温度和压强的增加,情况开始发生改变。当气体被压缩到一定程度时,它的行为开始更像是液体;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,会到达一个被称为“临界点”的微妙平衡点,在这一点你无法区分你看到的到底是哪一态。而略微降低压强或温度,水就会回到液态或气态。

  这也是两种液体故事的开端。首先忽略压强,几乎所有物质在高温下都有一个气相和液相交汇的临界点,但是少数材料在低温下还有一个神秘的第二临界点。比如,如果你在适当条件下冷却液态硅和锗,它们可以转化成两种不同密度的液体:原子组成相同,但是不同的结构赋予了它们不同的性质。

  尽管它们也很奇怪,但除了学术上的用途,这些第二临界点并没有引起太多关注。如果你不是专门研究液态硅的,这一领域可能不会引起你的注意。

  1992年,波士顿大学Peter Poole 和Gene Stanley领导的团队改变了这一局面。他们被一个宣称水的密度在低温下存在涨落的试验所吸引:水的温度越低,密度涨落越明显。这和所有的理论预言都背道而驰。一般而言,物质温度越低,密度涨落越小。

  为了探明究竟发生了什么,Poole、Stanley和他们的合作者模拟了水过冷的过程,他们小心地将水降温,使其低于凝固点而仍然保持液态。他们的计算机模拟证实了水在过冷态的密度涨落行为,而且随着温度降低,涨落确实会增大。一些有趣的机制一定在起着作用。

  Poole和Stanley的团队猜想,这是第二临界点的特征:水被区分成两种密度不同的液体,每一种都在自己的相中;而在第二临界点之上,这两种相难以区分,水会在这两种相之间快速转变。因为两种物质不同的性质,任意一种转化成另外一种时,都会导致突然的密度变化,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古怪。Nilsson说:“任何有关水的事情都存在争议。”更多的研究者认为水的性质可以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,而不是晶体结构的冰。另一种解释认为,看似是第二临界点的现象,只是水的一种奇特的凝固方式。

  该团队知道,如果他们关于第二临界点的认识是正确,通过试验验证将极其棘手。临界点所处的温度只有-45°C,即使是过冷态的水也会自发结成冰。“我们所面临的挑战是将水极快地冷却下来,” Stanley说,“研究它需要非常聪明的试验设计。”

  接踵而至的证据

  任职于瑞典斯德哥尔摩大学的Nilsson接受了这一挑战。他的团队一直痴迷于水的奇特行为,尤其是Poole和Stanley关于两种液体的设想。本世纪初,Nilsson在室温和大气压下工作让他相信水分子可以以两种结构存在:无序的致密堆积,以及密度较低的均匀四面体结构。他的试验表明,在这些外界环境下,低密度的相会浮在混乱的致密相之上。但他也表示,他的同行并不认同这一观点。

  

Nilsson认为,水分子可以以两种结构存在。

  接着在2008年的一系列会议上,他与研究过冷水的同事进行了深入的交流。Nilsson很快发现他们的想法开始成形。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述。”他看见了将这两种描述统一的机遇。他说:“让我着迷的是,之前几乎没有这方面的试验研究,大部分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。方案很简单:测量密度涨落,然后改变条件使涨落增加。沿着这条路线(Stanley以物理化学先驱Benjamin Widom命名的Widom线),最终会到达临界点。“当你有了Widom线,” 罗马第三大学的理论物理学家Paola Gallo说,“一定会出现临界现象。”

  实际上这项试验一点也不简单。水易于凝结成冰:在微小的杂质周围,会迅速形成冰晶,这是Nilsson需要首先解决的问题。利用韩国的先进设备,2017年,Nilsson的团队获得了极纯的水滴,并把它滴入真空室中、冷却到-45°C。当水滴下落,Nilsson测量它的体积随压强的变化,从而获得其密度。

  去年12月, Nilsson团队公布了试验结果。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。研究者表示,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。

  一些研究人员,例如Gallo,认为Nilsson的想法十分重要。虽然研究人员称赞了Nilsson团队使用的技术,但却对其结论提出了质疑。英国科技设施委员会卢瑟福·阿普尔顿实验室的Alan Soper就指出,指向临界点的试验证据几乎为零。“Nilsson在试验中发现的效应不仅很微弱,而且有着多种可能的解释,其中之一是在其附近应该有第二临界点。”

  另一位怀疑者,加州大学伯克利分校的Rich Saykally说:“需要更多的证据而不是这些漂亮的新结果来说服众多的专家。” 正如对Poole和Stanley的批评,Saykally认为,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

  但在今年3月,新的证据再次出现。阿姆斯特丹大学的Sander Woutersen团队采用了完全不同的思路,他们尝试了另一种使水降温时停止结冰的方法:防冻剂。他们所用的防冻剂有着和水相似的分子结构,能够溶解并混合在周围液体中。当混合物降温时,它的密度出现突然变化。因为溶液和纯水的结构非常相似,他们认为结果表明水确实有第二临界点。普林斯顿大学的Pablo Debenedetti 也认为,这项工作支持了水由两相组成的观点,但对于这是否为最终结论,他仍持保留意见。

  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

  如果这一理论是正确的,其影响不仅限于Nilsson和 Woutersen在实验室中创造出的奇异形式。“这些讨论都可以上升到室温,也适用于生命。” Nilsson说。Debenedetti也表示同意:“这些效应的影响十分深远,不仅仅是临界点。水在周围环境中的特性的确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结构,能够很好地解释我们在室温和大气压下看到的水的奇特行为。比如,低于4°C的液态水密度比冰大这一事实,是因为加热使水的无序性下降,形成密度更大的结构;水的高比热容,则是因为吸收的能量使得水分子从一种相转变为另一种。而水压力下的扩散能力(例如在身体中),则是由于高压下无序结构的流动性在增加。

  对于Stanley来说,这说明水对我们的存在而言十分重要,第二临界点处密度的巨大涨落可能是生命出现的原因之一。Debenedetti则在继续验证这一猜想。他现在正用计算机模型来标记蛋白质在不同温压条件下,尤其是第二临界点附近的行为。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相互作用极为感兴趣。

  然而,首先要确定的仍然是这一结论正确与否。后续实验有可能彻底解决这个问题。Nilsson决定去往韩国找到第二临界点的确切证据。如果他能成功,那么水的神秘行为将变得清晰起来;而水本身,将变得比以往更加奇特。

标签

  • 生命