誰說水低於 0 度就會結冰?科學家發現零下 80 度的液態水

日常生活中,水低於攝氏 0 度就會結冰,然而在不同的環境下,水會有截然不同的性質。近日,美國能源部太平洋西北國家實驗室(PNNL)發現攝氏 – 83.15(190 K)的液態水,為地球大氣現象與天文研究提供新的洞見。

研究團隊將論文發表在《Science》期刊上。

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零下 80 度液態水由兩種密度的液體組成

水分子由 2 個氫與 1 個氧組成,雖然結構簡單,性質卻很複雜,例如水在固態時的密度比液態時還低,因此水結冰時體積會變大,與大多數的物質截然不同。不少科學家投入對水的研究。學界爭論,水是否能在 200K 的低溫下以液態存在,以及水在從液態轉成固態的時候,是否一定會經過「過冷水」的階段?

為了瞭解水的性質,研究團隊捕捉過冷水的結晶樣態畫面。PNNL 的化學物理學家 Greg Kimmel 與博士後研究員 Wyatt Thornley 用雷射光照射薄冰上的水分子,透過紅外光譜儀,成功觀察到水分子的變化。根據觀察,雷射光照射後的幾奈秒,產生了過冷液態水。

數據顯示,過冷水會濃縮成高密度的液體結構,與另一種低密度結構的水共存,當溫度從攝氏 -28.15(245 K)降到攝氏 -83.15(190 K),高密度液體的比例下降,支持學界的過冷水混合模型。

PNNL 的化學物理學家 Greg Kimmel 表示,科學界一直對「過冷水是否在系統平衡前結晶」問題存在爭議,這次實驗為這個問題提供了否定的答案。

霰就是由過冷液態水形成的

這項研究為某些天氣現象提供解釋,例如霰。PNNL 的化學物理學家 Bruce Kay 表示,霰是大氣層上層的過冷液態水碰到雪時,快速結冰所形成的。研究解釋了為什麼下霰是暴風雪的前兆。

該研究有助於天文學家了解,水如何在木星、土星等寒冷星球存在;彗星的尾巴也是由過冷水蒸氣形成的。

此外,該研究也助於科學家研發新藥。蛋白質相當緊密,但水分子可以輕鬆在蛋白質間穿梭。研究成員 Loni Kringle 表示,該研究能讓學界了解液態水分子如何在緊密的環境中運動,有助於新藥的研發。

在我們的日常經驗中,零下 80 度是很難想像的環境,更別說是零下 80 度的「水」了。然而不少有求知精神的科學家,對我們沒想過的問題進行研究,取得驚人發現,讓我們更了解宇宙的運作模式。

參考資料

Science》、《SciTechDaily

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:Pxfuel CC Licensed

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