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液态水在温度降至51华氏度时的首次结构观测

发布时间:2018-05-17    点击量:30

一项新发表的研究详细介绍了液态水在温度降至零下51华氏度时的第一次结构观察结果 /

加利福尼亚州门洛帕克市 - 能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们在温度低至零下51华氏度的情况下,在难以捉摸的“无人地带”内对水的奇特特性进行超级放大,首次对液态水进行了结构观察。

该研究由SLAC的Linac相干光源(LCLS)X射线激光器实现,并于6月18日在Nature上报道,这为在这些异国情况下探索液态水开辟了一扇新窗口,并有望改善我们对其独特性质的理解。更自然的气温和与全球洋流,气候和生物学有关的状态。

科学家们已经知道一段时间以来,水可以在非常寒冷的温度下保持液态,但他们以前从未能够检查其在这个区域的分子结构。

“与大多数其他液体相比,水不仅对生命至关重要,而且与大多数其他液体相比,水的性质也非常奇特”,SUNCAT界面科学与催化中心副主任Anders Nilsson说,该中心是SLAC /斯坦福研究所的联合机构,和研究的领导者。 “现在,由于LCLS,我们终于能够进入这个寒冷地带,应该提供关于水的独特性质的新信息。”

不是你典型的液体

尽管其分子结构简单,但水具有许多奇怪的特征:其固体形式比其液体形式密度小,这就是为什么浮冰;它可以吸收大量的热量,这些热量由洋流远距离传播,对气候有着深远的影响;其独特的密度特征防止了海洋和湖泊一直冻结到底部,使得鱼类能够在冬季生存。

当纯净水过冷时,这些特性会被放大。当水非常纯净时,没有什么可以结晶形成冰晶,它可以在比正常温度低得多的温度下保持液态。水温从零下42度到零下172度(见图表)的温度范围被称为无人地带。几十年来,科学家们一直在寻求更好地探索温度低于零下​​42度时水分子会发生什么,但他们不得不主要依靠理论和建模。

飞秒快门速度

现在,LCLS的X射线激光脉冲只有千分之一秒的长度,使研究人员能够捕捉快速启动的快照,以便在冻结之前即刻显示水在这个神秘区域的详细分子结构。研究表明,当水进入这个领域时,水的分子结构不断变化,随着进一步冷却,结构变化的速度比理论模型预测的要快得多。

对于这个实验,研究人员在真空室内产生了稳定的小水滴。当液滴流向激光束时,它们的一些液体迅速蒸发,过冷却剩余的液体。 (当我们出汗时,同样的过程可以冷却我们)。通过调整液滴行进的距离,研究人员能够微调他们在到达X射线激光束时达到的温度。

更冷

尼尔森的团队希望潜水到更低的温度,水变成玻璃状非结晶固体。他们还想确定过冷水是否达到其不寻常性质达到峰值的临界点,并确定过冷水的温度。

“我们的梦想是尽可能地追踪这些动态,”尼尔森说。 “最终我们对无人地带发生的事情的理解将帮助我们在各种条件下从根本上理解水。”

SLAC的Linac相干光源,斯坦福同步辐射光源和斯坦福PULSE研究所的科学家; Stockholm大学;德国的DESY实验室;德国的亥姆霍兹材料和能源中心;和纽约的石溪大学(Stony Brook University)也为这项研究做出了贡献。这项工作部分由美国能源部科学办公室,SLAC实验室指导研究和开发计划和瑞典研究委员会资助。

出版物:J.A.Sessberg等人,“Ultrafast X-ray probing of water structure below the homogeneous ice nucleation tperature,”Nature 510,381-384,2014年6月19日; DOI:10.1038 / nature13266

来源:SLAC国家加速器实验室

图片:Greg Stewart / SLAC;格雷格斯图尔特/ SLAC,超快化学物理组/格拉斯哥大学,苏格兰

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