为了水,今天这篇Science到底有多快?
title 2020-11-20

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水是生命之源,关于的水的研究不可谓不多。

 

虽然水分子只有2种元素,3个原子,似乎世界上最简单的分子之一,确也是最难捉摸的分子之一。

 

理论模拟表明,深度过冷的水在高密度形式和低密度形式之间会发生转变,但是这种转变很难进行实验研究,因为往往在超快速结冰的条件下才能出现这种情况。

 

有鉴于此,斯德哥尔摩大学Anders Nilsson等人首次通过实验证实了超冷水的液-液转变过程。

 

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图1. 实验装置


研究人员通过红外飞秒脉冲对高密度无定形冰等温加热至约200K,在加热过程中,压力增加时产生了大量高密度的过冷液态水,并结合X-射线激光的帮助下快速确定分子结构。

 

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图2. SAXS


由于样品的密度在超快加热过程中得以保留,因此,研究人员得以估计高密度液相中的初始内部压力为2.5至3.5KPa。加热后,样品迅速膨胀,飞秒X射线激光脉冲在不同的泵浦探测延迟时间捕获了减压过程。作者发现了不连续的结构变化,其中出现了低密度液相域,并在20纳秒至3微秒的时间范围内增长,而结晶发生在3到50微秒的时间范围内,速度要慢得多,两个过程的动力学相隔一个以上数量级。

 

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图3. 分子动力学模拟



这项研究表明,为大量的过冷水中的液-液过渡提供了实验证据,为水的基本物理性质研究提供了新的见解。

 

 

参考文献:

KyungHwan Kim et al. Experimental observation of the liquid-liquid transition inbulk supercooled water under pressure. Science 2020, 370, 978-982.

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/978

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