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低温物理学

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过冷水以两种不同形式稳定

过冷水
捕获过冷水结构中的可逆变化。图片来源:蒂莫西·荷兰(Timothy Holland),PNNL

过冷水(即保持液态的水远低于其正常凝固点的水)没有统一的结构,而是采用两种不同的形式。这一发现是由美国西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究人员使用红外光谱技术完成的,它提供了人们长期以来期待的实验证据,可以帮助解释极端低温下水的某些异常性质。

水是一种不寻常的液体,但是它的普遍性意味着我们常常会忘记它是多么的不寻常。与大多数其他液体不同,它在环境压力下比冻结时形成的冰密度更高。它在冷却时也膨胀而不是收缩(这种现象称为负热膨胀)。压缩后粘度降低;并且存在不少于17个不同的晶相。

这种非典型行为扩展到水的过冷状态,这种状态自然发生在地球大气层和太空中的高空云中以及在精心控制的实验室条件下。为解释过冷水的怪异而开发的许多所谓的“混合物”模型预测,过冷水在低温和高压下会发生相变,从高密度液相转变为低密度液相。但是,很难确定这些模型中的哪一个是正确的,因为关于160 K和235 K之间的液态水行为的数据非常稀疏。

快速结晶

在此温度范围内(水的复杂相图为“无人之地”),过冷的液体迅速结晶,从而使测量变得困难。根据负责最新研究的PNNL团队的布鲁斯·凯(Bruce Kay)和格雷格·金梅尔(Greg Kimmel)的说法,这种快速的结晶是否只是实验性障碍,还是由于结晶之前水中的某些不稳定性所引起的根本性问题,一直是一个公开的问题。

PNNL小组通过证明极冷温度下的液态水相对稳定,并且以两种结构形式存在,使PNNL小组的研究结果大为下降,转而采用第一种方法。 Kimmel说:“这些发现解释了关于长期过冷的水在结晶之前是否会结晶的长期争论。” “答案是不。”

红外光谱实验

在实验中,Kay,Kimmel及其同事Lori Kringle和Wyatt Thornley使用红外(IR)光谱研究了将过冷水薄膜从70 K(-203°C)加热到273 K(0 °C)的速率为1010 K / s,然后以5 x 10的速率冷却千/秒这些速率是使用纳秒激光脉冲达到的,为10Kimmel说,这种技术的速度比其他技术快两倍,这是其成功的关键因素。对于每个热脉冲,在迅速冷却至基本温度之前,薄膜会在最高温度附近停留约3 ns。

通过分析在这些循环中水的O-H键的IR光谱如何演变,研究人员发现,过冷的水可以凝结成高密度的液体状结构。这种高密度形式与低密度结构共存,而低密度结构的物理性质更符合对水的预期键合。

备份“混合”模型

随着温度从245 K降到190 K,高密度相的比例迅速下降。这一观察结果与过冷水“混合”模型的预测相符,而做大部分实验工作的Kringle补充说。他们观察到的结构变化是可逆的和可再现的。

除了加深我们对过冷水的理解外,新发现还详细介绍了 科学可能有助于解释液态水如何在极冷的行星(如木星,土星,天王星,海王星及以后的行星)上存在,以及过冷的水蒸气如何形成彗星后面的踪迹。

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