地球上有四分之三的地方被水覆盖。美国亚利桑那州立大学分子科学教授C.Austen Angell认为，水作为一种地球上普遍存在的物质，仍然有许多特性让人惊讶不已。在3月9日出版的《科学》中，Angell和他阿姆斯特丹大学的同僚首次发现了水的一种神奇特性——在足够过冷和特定条件下，水会突然从一种液体变为另一种液体。后者虽然仍然是水，但它的密度更低，并且由于具有不同的氢键排列方式而变得更为黏稠。
“这与‘聚合水’丝毫无关，”Angell回想起了数十年前的“科学惨败”，“这是一种全新的液-液相变，并且直到现在我们也只在计算机模拟的水分子模型上观察到过这一现象。”直接在现实中观察水的液-液相变比较困难，水在发生这种相变之前，往往已经结冰了。结晶现象对认知水特殊的物理性质造成了很大阻碍。“玻璃水结晶在加热过程中，在结晶温度和更低温度之间的域被认为是‘无人之地’，”Angell说，“我们拉开‘结晶之幕’的办法，使得我们可以更准确的进行观察。”
研究水的相变具有诸多实际意义。例如，冬季混凝土道路的损坏就是由水变成冰的相变造成的。在Angell的最新成果中描述的液-液相变与水结冰有相似之处，但它发生的温度更低（-90℃）。Angell解释说，数年前，他和研究助理Zuofeng Zhao曾对一种用于探究球状蛋白质展开和折叠行为的理想水溶液的热行为进行了研究——观察该水溶液的过冷和玻璃化。为了探寻溶液玻璃化域的极限，他们加入了额外的水，以提高结冰的几率。最终他们发现，与通常情况不同，水溶液竟然释放热量，形成了一种新的液相。这种新的液体更黏稠，甚至可能是玻璃态。更令人惊奇的是，Angell等发现通过逆转温变的方向，新液体可以在粒冰不结的情况下转化为原始溶液。
这一发现最终被《应用化学》刊发，并引发了学界广泛的关注，但是Angell等并没有结构信息来进行解释。2年前，Angell结识了对此具有浓厚兴趣的阿姆斯特丹大学红外光谱专家Sander Woutersen，并且工共同改变了这一局面。在 《科学》刊载的论文中，Angell和Woutersen等证实，新发现的液-液相变与高/低密度非晶态固相水产生的玻璃态冰有相同的光谱特征和氢键模式。Woutersen认为，这一结果不仅为液态水热力学反常现象提供了解释，还验证了Gene Stanley团队提出的“第二临界点理论”。Angell补充道：“水的这种相变在已知液体中几乎是独一无二的，虽然认为在少数几种液体中可能也存在同样的现象，但至今无人证明。”
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编译：雷鑫宇 审稿：阿淼 编辑：张梦
来源：https://phys.org/news/2018-03-mysterious-phase-transitions.html
