奇怪！水竟是两种液体？地球的生命之源比你想象的更神秘
水在足够冷的条件下会结冰，这是一个无人反对的命题。但你可能并不知道，这一让大家视为常识的物理现象并不始终正确。实际上，水可以在温度达到零度以下仍不结冰，而维持液态的形态。
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这一现象在适当的条件下是会发生的，即所谓的“过冷水”—温度在凝固点以下的液态水。在这个微妙的临界点处，水由两种密度不同的“水”组成。也就是说，此时的水不是一种液体，而是两种液体。
《科学》杂志上发表的一篇研究探讨了这一不寻常现象的性质，并且表明，尽管水是地球上最寻常的物质，我们对它的研究却远远不够。
（图解：一项新研究证实，过冷水有两种形式：底部高密度形式和顶部低密度形式。
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图源：航跃科技）
水本身具有许多奇特的性质。太平洋西北国家实验室的格雷格·金梅尔（GregKimmel）在过去的25年中一直与物理学家布鲁斯·凯（BruceKay）合作研究水。他们之所以对水如此着迷，不仅是因为水为人熟知、用途广泛，而且还因为“就目前所知，水比大多数物质都更加神秘，”金梅尔在杂志《逆》采访时说。
他们用冰块举例—当水冻结时，自身密度变小，导致体积变大，使冰块能漂浮在水面上。凯在采访时说：“地球生命的演化过程是特别的，因为冰会漂浮在水上而不是沉在水底。”
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（图解：水在多冷时一定会结冰？这仍旧是一个被争论的议题——金梅尔在采访时说。图源：TatsianaVolskaya/Moment/Getty Images）
实际上，“过冷水”会出现的原因是因为低温并不是水结冰的唯一条件。还有很重要的一点是：如果水中没有晶种（该物质自身的晶体）或凝结核能够使水分子开始形成晶体结构，水的物质形式就不会改变。如果你想制造过冷水，那请确保以下两点：第一，水中必须不含杂质，杂质可能导致形成成核位置；第二，保持水的静止状态，不要摇晃它，因为分子在搅动时也能形成成核位置。
过冷水是被科学家们所熟知的。因为突然的晃动能为水分子冻结提供所需的凝结核，（例如，你可以尝试冷冻一段时间一瓶矿泉水，从冰箱慢慢拿出来，然后用力敲击一下瓶身。）这一让水迅速从液相转化为固相的过程所带来的视觉体验，不亚于魔术表演—它可以被用来当做给孩子们展示的一次科学实验，或者录成视频上传到油管上。
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如果用科学的语言来解释这一现象，就需要引入分子结构这一话题。“过冷温度下的液态水的分子结构不仅已变得相对稳定，而且同时存在两种结构基序。这些发现解释了一个长期存在的争论，那就是，深度过冷水是否必须达到结晶状态后才能说明其分子结构是平衡的？恐怕答案是否定的。”金梅尔声明说。
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梅尔表示，在达到平衡之前，水分子可以维持液态的分子结构，当温度达到极低的条件，水即将结冰。
（图解：水分子的排布结构：低密度下的四面体排布（左）和高密度下的无序排布。图源：环球科学）
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在如此冷的情况下，水冻结可能只需一百万分之一秒。但是对于此前周围活跃的水分子来说，这点时间足以让他们保持着想要的结构而无需改变。”金梅尔说。
（图解：理解为什么水在结冰后会漂浮，会感受到它的奇妙。图源：AdamHester/The Image Bank/Getty Images）
金梅尔和凯与科学家—博士后洛尼·克林格（LoniKringle）和怀亚特·索恩利（WyattThornley）一起，使用红外光谱法。这种研究方法通过红外辐射与物质的相互作用，观察激光发射在冰块上时水分子的反应，从而在几纳秒内制造出过冷液态水。凯将这一过程比作了“黏土动画”。
进行了数次的激光测试证明，所有分子结构的变化都是可逆并可复制的。
过冷水有许多潜在用途。有科学家提议，过冷水的快速冷冻过程或许可以用于检测暗物质。金梅尔则建议令其在气候研究中发挥作用，并指出，云层覆盖在气温中起着重要作用，因为这与“云层的形成方式以及大气中过冷水的结晶方式有关”。
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