日本理化學(xué)研究所和瑞典斯德哥爾摩大學(xué)一個(gè)聯(lián)合研究小組利用日本的X射線自由電子激光設(shè)施的激光器SACLA，成功捕捉到過(guò)冷狀態(tài)水（H2O）的結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了水存在液—液相變的臨界點(diǎn)，并能在兩個(gè)液相間轉(zhuǎn)變。
生命離不開(kāi)水，但人們對(duì)水的理解尚不完善。例如水在溫度降低時(shí)的密度、熱容量、等溫壓縮率等熱力學(xué)的特征變化與其他液體呈相反狀態(tài)，由此引發(fā)了對(duì)水的熱力學(xué)特征的長(zhǎng)期爭(zhēng)論，出現(xiàn)了各種假說(shuō)。其中一種假說(shuō)認(rèn)為，液態(tài)水具有密度不同的兩個(gè)相（物態(tài)），并在兩個(gè)相之間搖擺。但是水在溫度下降到接近0℃時(shí)（過(guò)冷狀態(tài)），狀態(tài)不穩(wěn)，會(huì)很快結(jié)冰，因此迄今為止驗(yàn)證該假說(shuō)極為困難。
研究小組利用SACLA對(duì)過(guò)冷狀態(tài)的水滴進(jìn)行照射，分析了水的結(jié)構(gòu)。SACLA的脈沖寬度為非常短的飛秒級(jí)，可以在冷卻的水結(jié)冰之前對(duì)各個(gè)時(shí)段的變化進(jìn)行測(cè)量。研究小組對(duì)水在各種溫度下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)分析被水滴散射的X射線得到了水的結(jié)構(gòu)，并調(diào)查水冷卻時(shí)等溫壓縮率的上升。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等溫壓縮率在－44℃時(shí)為最大，在此溫度下發(fā)生反轉(zhuǎn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)把水中的氫原子（H）置換成重氫原子（D）的重水（D2O）時(shí)等溫壓縮率溫度為－40℃。這些發(fā)現(xiàn)顯示水存在“液—液相變的臨界點(diǎn)”，這種相轉(zhuǎn)移影響原子核的量子效應(yīng)。
該研究成果闡釋了水的固有熱力學(xué)形態(tài)的起源，相關(guān)論文已發(fā)表在《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版。
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