原標(biāo)題：水不是一種液體，而是兩種？！這種奇異特性，或是生命存在的關(guān)鍵

水是我們最熟悉、接觸最頻繁的物質(zhì)之一，我們以為自己對(duì)它的性質(zhì)了如指掌。但實(shí)際上，科學(xué)家卻從來(lái)沒(méi)有真正揭開(kāi)它的真正結(jié)構(gòu)，也難以解釋它的很多奇特性質(zhì)。最近半年，兩支團(tuán)隊(duì)分別取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持了一個(gè)頗為意外的觀點(diǎn)：水不是一種液體，而是兩種！

“水真是太奇怪了。”說(shuō)這句話(huà)的是近乎整個(gè)學(xué)術(shù)生涯都在研究“水”的化學(xué)家Anders Nilsson。這個(gè)觀點(diǎn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)或許難以接受，畢竟，還有什么能比水更尋常？水的行為對(duì)我們來(lái)說(shuō)是如此熟悉，它的外表如此普通 。但是水的奇特也是獨(dú)一無(wú)二的。如果不是因?yàn)樗钠嫣?，我們甚至沒(méi)有機(jī)會(huì)在這里討論這個(gè)問(wèn)題。

我們知道，水在4°C時(shí)密度最大。但如果它的性質(zhì)不是這樣，而是在結(jié)冰時(shí)密度最大，湖泊和河流會(huì)從底部開(kāi)始結(jié)冰，逐步殺死水中的居住者；如果水的比熱容不是這么大，地球在很久之前就會(huì)被燒干；如果水分子在穿越細(xì)胞膜時(shí)，不能攜帶其他物質(zhì)，植物和動(dòng)物就會(huì)死于營(yíng)養(yǎng)不良。

從伽利略時(shí)代起，科學(xué)家們就一直在嘗試挖掘水的奇異性質(zhì)，但始終沒(méi)有收獲。如今，通過(guò)Nilsson和其同事的工作，我們可能接近于理解為什么水會(huì)有這些行為。他們的解釋就像水自身一樣奇特：水不是一種液體，而是兩種。

水的第二臨界點(diǎn)？

在某些層面上，水具有多種不同的形式，這并不奇怪。取決于你觀測(cè)的壓強(qiáng)和溫度，水可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的。在海平面，水在100°C時(shí)轉(zhuǎn)化為蒸汽，但是在氣壓較低的高海拔地區(qū)，水會(huì)在更低的溫度下沸騰——時(shí)間是省下來(lái)了，但是你的茶也被毀掉了。

在絕大多數(shù)情況下，液態(tài)和氣態(tài)是分開(kāi)的。然而，隨著溫度和壓強(qiáng)的增加，情況開(kāi)始發(fā)生改變。當(dāng)氣體被壓縮到一定程度時(shí)，它的行為開(kāi)始更像是液體；而當(dāng)液體被加熱，它也會(huì)趨近于氣體的行為。當(dāng)壓強(qiáng)或溫度足夠高，會(huì)到達(dá)一個(gè)被稱(chēng)為“臨界點(diǎn)”的微妙平衡點(diǎn)，在這一點(diǎn)你無(wú)法區(qū)分你看到的到底是哪一態(tài)。而略微降低壓強(qiáng)或溫度，水就會(huì)回到液態(tài)或氣態(tài)。

這也是兩種液體故事的開(kāi)端。首先忽略壓強(qiáng)，幾乎所有物質(zhì)在高溫下都有一個(gè)氣相和液相交匯的臨界點(diǎn)，但是少數(shù)材料在低溫下還有一個(gè)神秘的第二臨界點(diǎn)。比如，如果你在適當(dāng)條件下冷卻液態(tài)硅和鍺，它們可以轉(zhuǎn)化成兩種不同密度的液體：原子組成相同，但是不同的結(jié)構(gòu)賦予了它們不同的性質(zhì)。

盡管它們也很奇怪，但除了學(xué)術(shù)上的用途，這些第二臨界點(diǎn)并沒(méi)有引起太多關(guān)注。如果你不是專(zhuān)門(mén)研究液態(tài)硅的，這一領(lǐng)域可能不會(huì)引起你的注意。

1992年，波士頓大學(xué)Peter Poole 和Gene Stanley領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)改變了這一局面。他們被一個(gè)宣稱(chēng)水的密度在低溫下存在漲落的試驗(yàn)所吸引：水的溫度越低，密度漲落越明顯。這和所有的理論預(yù)言都背道而馳。一般而言，物質(zhì)溫度越低，密度漲落越小。

為了探明究竟發(fā)生了什么，Poole、Stanley和他們的合作者模擬了水過(guò)冷的過(guò)程，他們小心地將水降溫，使其低于凝固點(diǎn)而仍然保持液態(tài)。他們的計(jì)算機(jī)模擬證實(shí)了水在過(guò)冷態(tài)的密度漲落行為，而且隨著溫度降低，漲落確實(shí)會(huì)增大。一些有趣的機(jī)制一定在起著作用。

Poole和Stanley的團(tuán)隊(duì)猜想，這是第二臨界點(diǎn)的特征：水被區(qū)分成兩種密度不同的液體，每一種都在自己的相中；而在第二臨界點(diǎn)之上，這兩種相難以區(qū)分，水會(huì)在這兩種相之間快速轉(zhuǎn)變。因?yàn)閮煞N物質(zhì)不同的性質(zhì)，任意一種轉(zhuǎn)化成另外一種時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致突然的密度變化，這一變化在臨界點(diǎn)時(shí)最為顯著。

他們提出的水有兩個(gè)臨界點(diǎn)的假說(shuō)可能有一些古怪。Nilsson說(shuō)：“任何有關(guān)水的事情都存在爭(zhēng)議?！备嗟难芯空哒J(rèn)為水的性質(zhì)可以用更為傳統(tǒng)的方式解釋。一種解釋是在極低的溫度下，過(guò)冷態(tài)的水轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N無(wú)序的固體，而不是晶體結(jié)構(gòu)的冰。另一種解釋認(rèn)為，看似是第二臨界點(diǎn)的現(xiàn)象，只是水的一種奇特的凝固方式。

該團(tuán)隊(duì)知道，如果他們關(guān)于第二臨界點(diǎn)的認(rèn)識(shí)是正確，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證將極其棘手。臨界點(diǎn)所處的溫度只有-45°C，即使是過(guò)冷態(tài)的水也會(huì)自發(fā)結(jié)成冰?！拔覀兯媾R的挑戰(zhàn)是將水極快地冷卻下來(lái)，” Stanley說(shuō)，“研究它需要非常聰明的試驗(yàn)設(shè)計(jì)?！?/p>

接踵而至的證據(jù)

任職于瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的Nilsson接受了這一挑戰(zhàn)。他的團(tuán)隊(duì)一直癡迷于水的奇特行為，尤其是Poole和Stanley關(guān)于兩種液體的設(shè)想。本世紀(jì)初，Nilsson在室溫和大氣壓下工作讓他相信水分子可以以?xún)煞N結(jié)構(gòu)存在：無(wú)序的致密堆積，以及密度較低的均勻四面體結(jié)構(gòu)。他的試驗(yàn)表明，在這些外界環(huán)境下，低密度的相會(huì)浮在混亂的致密相之上。但他也表示，他的同行并不認(rèn)同這一觀點(diǎn)。

Nilsson認(rèn)為，水分子可以以?xún)煞N結(jié)構(gòu)存在。

接著在2008年的一系列會(huì)議上，他與研究過(guò)冷水的同事進(jìn)行了深入的交流。Nilsson很快發(fā)現(xiàn)他們的想法開(kāi)始成形。Nilsson說(shuō)，畢竟水只是一種物質(zhì)，“它不可能在室溫下和過(guò)冷狀態(tài)下有著不同的描述。”他看見(jiàn)了將這兩種描述統(tǒng)一的機(jī)遇。他說(shuō)：“讓我著迷的是，之前幾乎沒(méi)有這方面的試驗(yàn)研究，大部分都是理論學(xué)家的工作?！?/p>

在他嘗試證明水也有第二臨界點(diǎn)時(shí)，Nilsson著重關(guān)注Poole和Stanley理論中的關(guān)鍵預(yù)言：過(guò)冷水的密度在低溫下會(huì)有漲落。方案很簡(jiǎn)單：測(cè)量密度漲落，然后改變條件使?jié)q落增加。沿著這條路線（Stanley以物理化學(xué)先驅(qū)Benjamin Widom命名的Widom線），最終會(huì)到達(dá)臨界點(diǎn)。“當(dāng)你有了Widom線，” 羅馬第三大學(xué)的理論物理學(xué)家Paola Gallo說(shuō)，“一定會(huì)出現(xiàn)臨界現(xiàn)象?！?/p>

實(shí)際上這項(xiàng)試驗(yàn)一點(diǎn)也不簡(jiǎn)單。水易于凝結(jié)成冰：在微小的雜質(zhì)周?chē)瑫?huì)迅速形成冰晶，這是Nilsson需要首先解決的問(wèn)題。利用韓國(guó)的先進(jìn)設(shè)備，2017年，Nilsson的團(tuán)隊(duì)獲得了極純的水滴，并把它滴入真空室中、冷卻到-45°C。當(dāng)水滴下落，Nilsson測(cè)量它的體積隨壓強(qiáng)的變化，從而獲得其密度。

去年12月，Nilsson團(tuán)隊(duì)公布了試驗(yàn)結(jié)果。在水自發(fā)結(jié)冰前極短的一段時(shí)間內(nèi)，他們捕捉到了過(guò)冷水狀態(tài)的照片。研究者表示，他們捕捉到了Widom線的明顯痕跡，這條軌跡會(huì)指向第二臨界點(diǎn)。

一些研究人員，例如Gallo，認(rèn)為Nilsson的想法十分重要。雖然研究人員稱(chēng)贊了Nilsson團(tuán)隊(duì)使用的技術(shù)，但卻對(duì)其結(jié)論提出了質(zhì)疑。英國(guó)科技設(shè)施委員會(huì)盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室的Alan Soper就指出，指向臨界點(diǎn)的試驗(yàn)證據(jù)幾乎為零?！癗ilsson在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)不僅很微弱，而且有著多種可能的解釋?zhuān)渲兄皇窃谄涓浇鼞?yīng)該有第二臨界點(diǎn)?！?/p>

另一位懷疑者，加州大學(xué)伯克利分校的Rich Saykally說(shuō)：“需要更多的證據(jù)而不是這些漂亮的新結(jié)果來(lái)說(shuō)服眾多的專(zhuān)家。” 正如對(duì)Poole和Stanley的批評(píng)，Saykally認(rèn)為，其結(jié)果可能只是水在低溫下凝固時(shí)的特殊現(xiàn)象。

瑞士日內(nèi)瓦，羅訥河和咸水的阿爾沃河交匯。Henryk Sadura / Alamy Stock Photo

但在今年3月，新的證據(jù)再次出現(xiàn)。阿姆斯特丹大學(xué)的Sander Woutersen團(tuán)隊(duì)采用了完全不同的思路，他們嘗試了另一種使水降溫時(shí)停止結(jié)冰的方法：防凍劑。他們所用的防凍劑有著和水相似的分子結(jié)構(gòu)，能夠溶解并混合在周?chē)后w中。當(dāng)混合物降溫時(shí)，它的密度出現(xiàn)突然變化。因?yàn)槿芤汉图兯慕Y(jié)構(gòu)非常相似，他們認(rèn)為結(jié)果表明水確實(shí)有第二臨界點(diǎn)。普林斯頓大學(xué)的Pablo Debenedetti 也認(rèn)為，這項(xiàng)工作支持了水由兩相組成的觀點(diǎn)，但對(duì)于這是否為最終結(jié)論，他仍持保留意見(jiàn)。

這項(xiàng)工作花了整整26年，而就在幾個(gè)月之內(nèi)，兩組優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)相繼為Poole和Stanley的預(yù)測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)?！翱茖W(xué)就是這樣有趣。”Stanley說(shuō)道。

賦予生命的液體

如果這一理論是正確的，其影響不僅限于Nilsson和Woutersen在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出的奇異形式?！斑@些討論都可以上升到室溫，也適用于生命。”Nilsson說(shuō)。Debenedetti也表示同意：“這些效應(yīng)的影響十分深遠(yuǎn)，不僅僅是臨界點(diǎn)。水在周?chē)h(huán)境中的特性的確反映了其過(guò)冷時(shí)的特性?！?/p>

在倫敦南岸大學(xué)的Martin Chaplin看來(lái)，水在低溫下存在兩種結(jié)構(gòu)，能夠很好地解釋我們?cè)谑覝睾痛髿鈮合驴吹降乃钠嫣匦袨椤?/strong>比如，低于4°C的液態(tài)水密度比冰大這一事實(shí)，是因?yàn)榧訜崾顾臒o(wú)序性下降，形成密度更大的結(jié)構(gòu)；水的高比熱容，則是因?yàn)槲盏哪芰渴沟盟肿訌囊环N相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N。而水壓力下的擴(kuò)散能力（例如在身體中），則是由于高壓下無(wú)序結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性在增加。

對(duì)于Stanley來(lái)說(shuō)，這說(shuō)明水對(duì)我們的存在而言十分重要，第二臨界點(diǎn)處密度的巨大漲落可能是生命出現(xiàn)的原因之一。Debenedetti則在繼續(xù)驗(yàn)證這一猜想。他現(xiàn)在正用計(jì)算機(jī)模型來(lái)標(biāo)記蛋白質(zhì)在不同溫壓條件下，尤其是第二臨界點(diǎn)附近的行為。Debenedetti說(shuō)他對(duì)在極端條件下蛋白質(zhì)如何和兩種密度不同的液態(tài)水相互作用極為感興趣。

然而，首先要確定的仍然是這一結(jié)論正確與否。后續(xù)實(shí)驗(yàn)有可能徹底解決這個(gè)問(wèn)題。Nilsson決定去往韓國(guó)找到第二臨界點(diǎn)的確切證據(jù)。如果他能成功，那么水的神秘行為將變得清晰起來(lái)；而水本身，將變得比以往更加奇特。

原文鏈接：

https：//www.newscientist.com/article/mg23831800-100-h2oh-water-is-actually-two-liquids-disguised-as-one/

來(lái)源：環(huán)球科學(xué)ScientificAmerican