water droplet

新研究提供的证据了几十年之久的理论来解释水的奇异行为

2020年7月16日下午2时08分

来自罗马的普林斯顿大学和Sapienza大学一项新的研究提供了一个争议的理论,在极冷温度的水可以在两种不同的液体形式存在的有力证据,一个是密度较小,比其他的更有条理。

水,所以普通等必要的生活,行为的方式,都相当令人费解的科学家。例如,为什么冰密度小于水,浮而不沉其它液体做时,他们冻结的方式吗?

现在一项新的研究提供了一个争议的理论,在极冷温度的水可以在两种不同的液体形式存在的有力证据,一个是密度较小,比其他的更有条理。

研究人员在罗马普林斯顿大学和Sapienza大学进行水分子的计算机模拟来发现的临界点处一个液相变换到另一个。该 研究 这个星期在科学杂志上发表。

“临界点的存在提供了水的奇特一个非常简单的解释说,”普林斯顿大学的研究院长 巴勃罗debenedetti,类工程1950年教授和应用科学,和教授 化学和生物工程。 “临界点的发现是相当于找到一个好的,简单的解释了很多事情,让水奇,尤其在低温下。”

水的奇特包括水冷却,它扩展而不是承包,这就是为什么冰冻的水是比密液态水少。水也变得更挤压 - 或可压缩 - 在较低温度下。也有至少17种方法,使冻结时,其分子可以安排。

临界点是温度和压力,其中物质两相变得不可区分的唯一值,并且它发生无关紧要从一个阶段转化成另一只是之前。

水的古怪容易被一个临界点的存在说明,debenedetti说。临界点的存在感到在物质相当远离临界点本身的属性。在临界点,可压缩性和分子如何表现其它热力学措施,如热容量,是无限的。

使用两种不同的计算方法和两个水高度逼真的计算机模型,该球队标识的液 - 液临界点为位于范围为约190至170度开尔文(约-117度至-153华氏度)在约2000倍在海平面大气压。

临界点的检测中涉及的几十年历史的追求,以确定水的不同寻常的性质的基础物理研究人员解释一个满意的一步。几十年前,物理学家推测,冷却水的温度低于冰点,同时保持它作为一个液体 - 发生在高空云层“过冷”状态 - 将在足够高的压力下暴露水的两个独特的液体形式。

graph showing data from computer simulations

例的(左):使用水(顶部和底部面板)两个不同的计算机模拟,研究人员检测在由密度不同的两个液相间过冷水振荡密度特性波动。图B(右):模拟揭示了两个液相,其密度不同,在中高密度液体的通用中央分子的局部环境的额外的水分子的侵入微观起源之间的临界点。

测试理论,研究人员转向了计算机模拟。与现实生活中的水分子实验至今没有因倾向过冷水迅速冻结成冰提供了一个临界点的确凿证据,在部分。

弗朗西斯sciortino,在罗马Sapienza大学物理学教授,进行了第一次这样的模拟研究之一,而博士后研究员,1992年该研究报告发表在该杂志 性质,是第一个建议两个液体形式之间的临界点的存在。

新的发现是极为满足对sciortino,谁也学新研究的合着者。目前使用的新的研究的速度更快,功能更强大的计算机研发和水更新,更精确的模型。即使今天的强大科研计算机,模拟了大约1.5年的计算时间。

“你能想象的快乐,当我们开始看到的临界波动正是表现他们应该的样子,” sciortino说。 “现在我可以睡不好觉,因为25年后,我原来的想法得到了证实。”

在的水的两个液体形式的情况下,将两个相在不安平衡在温度低于冷冻和在足够高的压力共存。随着温度骤降,两个液相从事拉锯战直到一个胜出和整个液体变成低密度。

在模拟中罗马执行通过普林斯顿博士后居尔zerze和sciortino,因为它们放倒的温度低于冰点到过冷范围,水的密度波动似地就像预测。

一些水奇的行为很可能是背后的水的赋予生命的特性,zerze说。 “流体生活的是水,但我们仍然不知道究竟为什么水是不是另一种液体更换。我们认为原因有水的异常行为做。其他液体不显示这些行为,因此这必须与水为生命之液“。

水的两个阶段发生,因为水分子的形状可能会导致包装在一起的两种方式。在较低密度液体,四个分子聚集在周围称为四面体几何形状的中央第五分子。在较高密度的液体,第六分子在挤压,其具有增加的局部密度的效果。

团队检测的临界点在水两种不同的计算机模型。对于每个模型,研究人员进行的水分子到两个不同的计算方法来寻找的临界点。这两种方法产生了临界点的发现。

彼得·普尔,在ST物理学教授。弗朗西斯泽维尔大学在加拿大,当他合作过sciortino和自然合着1992年的论文的研究生说,结果令人满意。 “这是非常欣慰能有这个新的结果,”他说。 “这是一个漫长的,有时寂寞的等待自1992年以来看到一个逼真的水模型中的液 - 液相转变的另一明确的情况下。”

C。奥斯丁安格尔,在美国亚利桑那州立大学教授试剂,是实验在上世纪70年代的过冷水性质的先驱之一。 “毫无疑问,这是水物理模拟一个非常有趣的,和欢迎,总之一个英勇的努力,”安吉尔说,谁没有参与在本研究中,在一封电子邮件。 “与获得平衡(长期)真实水的物理测量一个实验,我一直通过计算机仿真感到‘安全’的抢占。但在新的文件表明给出的数据,这不再是真实的“。

模拟物在执行 普林斯顿大学研究计算,由Sapienza大学罗马物理系管理和支持计算资源的群体,包括普林斯顿研究所计算科学与工程(picscie)和信息技术的高性能计算在普林斯顿大学中心和可视化实验室的办公室,和一个财团。由美国国家科学基金会提供研究支持(授予鸿1856704)。

3 researchers

左起:巴勃罗debenedetti,普林斯顿大学的院长进行研究,该类工程和应用科学,化学和生物工程教授1950年教授;弗朗西斯sciortino,在罗马Sapienza大学物理学教授;居尔zerze,在普林斯顿大学博士后研究员。

这项研究中,“在水两个逼真模型第二临界点,”巴勃罗·克debenedetti,弗朗西斯sciortino和居尔zerze,发表在科学杂志的7月17日发行。 DOI:10.1126 / science.abb9796。