水比我們想的還要怪! 物理學家剛發現了第二種狀態的液態水

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它是地球上最基本的化合物之一,它佔了我們人體的大約60%,可是卻比我們所想像的更陌生。研究人員一直在研究物理性質,發現當它被加熱到40和60攝氏度之間時,它就會達到「交叉溫度」,並似乎開始在兩種不同狀態液體之間切換。作為一種化合物,對地球上的生命至關重要,但是我們一直低估了它的奇特性。我們都已經習慣運用已知的原理,所以很難想像比我們所認識的三種基本狀態固體液體氣體更複雜的東西。 在非常罕見的情況下,也可以形成等離子體狀態

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但在許多方面,我們所認識的其實並不像地球上的任何其他物質。 除了水銀,俱有所有液體的最高表面張力。它也是唯一已知的物質裡,可以漂浮在其液體狀態固態,並且與幾乎所有其他已知的物質不同的是,當凍結時水會膨脹。 此外,它也有一個奇特的點。其它的氫化物,例如碲化 (Hydrogen Telluride)和硫化 (Hydrogen Sulphide) ,它們的點隨著其分子量減小而降低,但是對於水這樣小的分子量,它卻具有令人驚訝的高點。「沒有人真正了解的性質」,菲利普·鮑勃 (Philip Ball) 在 Nature中指出。「雖然很尷尬但我們不得不承認,覆蓋著我們星球三分之二的水仍然是一個謎,更糟糕的是,我們查的越多,問題就越多,運用新技術來了解更深層次的液態水的分子結構只會醞釀更多謎題」。

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現在物理學家已經證明,在40和60攝氏度(104和140華氏度)之間的某個點,液態水可以「切換」狀態,顯示出一組全新的屬性,而這屬性是取決於它轉到的狀態。為了解決這問題,來自英國牛津大學的物理學家Laura Maestro領導了一個國際團隊來研究的一些特定屬性。他們調查了水的熱導率,折射率,電導率,表面張力介電常數,例如說電場通過物質傳播的程度,以及它們對0至100攝氏度溫度的波動反應。一旦達到了40攝氏度,屬性開始轉變,然後會一直持續轉變到60攝氏度。每個屬性都有一個在這個閾值內不同的「交叉溫度」,而研究人員解釋說這是因為液態水已經切換到不同的階段。

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這團隊列出了幾個交叉溫度。導熱率為約64攝氏度,折射率為50攝氏度,導電率為約53攝氏度,表面張力為57攝氏度。「這些結果證實,在0-100攝氏度的範圍內,液態水在接近50攝氏度時就會呈現許多屬性的交叉溫度」,他們總結著。那這裡到底發生了什麼事?我們還是無法解答,但事實是可以在兩種完全不同的液體狀態之間切換。所以這可以解釋為什麼在某些溫度水會有這些不尋常的屬性分子僅維持在彼此之間一個非常短暫的連接,並且這些鍵實際上遠弱於我們分子裡所連接單與單氧原子的鍵。由於這個原因,將分子連接在一起的鍵不斷地斷裂和重整,而在所有的混亂當中形成有結構化和「規則」的存在。物理學家懷疑這就是為甚麼會有不尋常的屬性,但沒有人完全確定這是如何運作的。

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「大家都同意,的分子結構有一方面使它與大多數其他液體有著很不一樣的地方,那就是它擁有短暫的,暫時存在的鍵」,鮑勃寫道。「這些連接分子的弱鍵不斷地在比的熔點還要高的狀況下斷裂與重整,但仍然可以在分子混雜之中施加一定結構化,這是大家所共識的」。雖然Maestro與她團隊的結果需要由另一個獨立團隊來複製後我們才能開始重寫教科書以思考可能存在的四種(或3.5?)狀態,但他們說他們的發現可能對我們所理解的納米和生物系統有著很大的影響。「例如,分散在中的金屬(金和銀)納米顆粒的光學性能可以用作納米探針,此外量子點的發射性質也可以用作熒光生物成像和腫瘤靶的目標。可是它們都是在單一溫度範圍內顯示出這些特性」,他們在文章裡寫著道。“這也提出了一個問題,溫度驅動的結構變化是否影響水溶液中的生物大分子,尤其是蛋白質,因為這是活細胞中最重要的生存單位。

這研究已被發表在International Journal of Nanotechnology

來源: Science Alert