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低温物理学

低温物理学

过冷水以两种不同的形式稳定

21 Oct 2020 Isabelledumé.
过冷水
捕获过冷水结构的可逆变化。信用:蒂莫西荷兰,PNNL

超冷水 - 即仍然低于其正常凝固点的水 - 没有均匀的结构,而是采用两种不同的形式。这一发现是由研究人员在美国的研究人员使用红外光谱学,提供了持久的实验证据,这些证据可以帮助解释极冷温度的一些异常性质。

水是一种不寻常的液体,但它的笨蛋意味着我们经常忘记它是多么不寻常。与大多数其他液体不同,它在环境压力下更密集,而不是冻结时形成的冰。它还在冷却时扩展而不是收缩(称为负热膨胀的现象);压缩时变得越来越粘稠;存在不少于17个不同的结晶阶段。

这种非典型行为延伸到水的过冷状态,这在地球大气层和空间中的高空云中自然发生,以及在精心控制的实验室条件下。已经开发出用于解释过冷水的奇怪性的所谓的“混合物”模型预测,它在低温下经历相位过渡,从高密度液相转变为低密度。然而,难以确定这些模型中的哪一个是正确的,因为在160 k和235k之间的液态水行为的数据如此稀疏。

快速结晶

在这个温度范围内 - 水的复杂相图的“没有人的土地” - 过冷液体迅速结晶,使测量变得困难。据布鲁斯凯和格雷格金梅尔称,他领导了负责最新研究的PNNL团队,此前是一个开放的问题,无论这种快速结晶是一种实验障碍,还是在它结晶之前从水中的某些不稳定性源于水中的一些不稳定性的根本问题。

通过证明液态水在极冷的温度下相对稳定,并且它存在两种结构形式,PNNL团队的结果正好归功于第一个选择。 “这些调查结果解释了在它在平衡之前无论是否深过冷却水结晶的长期争议,”Kimmel说。 “答案是不。”

红外光谱实验

在他们的实验中,Kay,Kimmel及其同事Lori Kringle和Wyatt Thornley使用红外线(IR)光谱学研究当过冷水的薄膜从70k(-203°C)加热至273k时,研究发生的结构变换(0.0 °C)以10的速度10 K / s,在冷却之前以5 x 10的速度冷却k / s。使用纳秒激光脉冲实现这些速率,并且是10kimmel说,时间比其他技术更快,这是他们成功的关键因素。对于每个热脉冲,薄膜在快速冷却到基础温度之前在最高温度附近花费大约3 n。

通过分析在这些循环期间水的O-H键的IR光谱如何发展,研究人员发现过冷水可以凝聚到高密度,液体状结构中。这种较高密度的形状与低密度结构共存,该低密度结构具有更多的物理性质,其具有预期的典型粘合。

备份“混合”模型

随着温度从245 k到190k的温度降至190k,高密度相的比例快速降低。该观察结果同意对过冷水的“混合物”模型的预测,以及大部分实验工作的Kringle增加了他们观察到的结构变化是可逆和可重复的。

除了我们对超级冷却水的理解,新发现,详细说明 科学,可能有助于解释液态水如何存在于非常冷的行星上(如木星,土星,天王星,海王星和超越),以及过冷却的水蒸气如何产生彗星后面的踪迹。

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