直接证据中存在的两种形式的液态水

三十年前,波士顿大学的团队合作做出了引人注目的建议有两个形式的液态水,可互换在高压力低于正常水的冰点。¹研究人员一直在寻找这个假定的液-液阶段过渡,和证据已经慢慢积累,它真的存在。新的实验现在供应似乎是直接观察的不同密度的液体状态之间的转换——而不是在纯水糖海藻糖的解决方案。²了解极冷的解决方案的行为可能会对生物学和低温贮藏,必须避免冰晶生物组织的损害,以及富含水分的状态中可能存在的气态巨行星的大气层。

液体结构无序,所以它不是很明显他们如何可以支持两个不同的结构有不同的密度。但这似乎可能的液体中某种程度上的方向键,如相邻的水分子之间的氢键,使当地独特的结构成为可能。液-液转换已报告,例如,在硅、砷、磷和硅酸盐。但是找到一个在过冷水被证明是非常具有挑战性的。有先前声称观察水的液-液转换解决方案在环境压力,^3、4溶质的地方,比如糖甘油,有时用作冷冻保护剂,降低了冰点。但这种说法存在争议。^5、6其他研究人员报道液状物行为的两种行之有效的高收入和低密度形式非晶态(玻璃样的)冰互换。⁷

一个关键问题是,很难没有样品冷冻探针深入过冷状态。抑制冻结的方法之一是使液体乳剂,分散成微小液滴的冰晶成核的机会更小。2014年铃木Yoshiharu筑波国家材料科学研究所的日本,水处理资深研究员Osamu三岛,报道可能的液-液过渡的迹象,结束在一个关键时刻两个液体状态难以区别,在乳化,过冷甘油的解决方案。⁸他们看到两个截然不同的无序状态的迹象和不同密度在150 k的温度。但是没有直接的证据表明,两人都是液体,而不是无定形冰。

甜蜜的解决方案

铃木已经探索了同样的方法使用海藻糖作为溶质-糖产生一些生物自然冷冻保护剂,如昆虫,这种经历极端寒冷,阻止他们的血液冻结。他压稀释乳化解决约0.6的绩点在一系列温度低于159 k,然后重新解压。首先形成一个坚实的玻璃相,这可能改变粘性液体在释放压力。首先形成玻璃相是非常重要的,以避免溶液分离成solute-rich阶段,几乎纯冰,铃木说。

他通常看到急剧增加,密度随着压力的增加,和类似的密度急剧下降,在一定程度上降低压力,减压。这些变化发生在解决方案仍粘性而不是玻璃,和铃木解释它们之间的转换,高、低密度液体。

这种滞后——即密度跳跃在不同压力压缩和解压缩,是正常的一阶过渡参数如密度变化不连续地。它反映了一个事实,那就是转变开始的机会形成一个“核”的新阶段,然后成长。铃木提出平衡过渡本身是在磁滞回线的地方。磁滞回线的宽度逐渐较小的温度升高时,和外推的结果表明它可能消失170 k左右。如果是这样的话,这将对应于水的临界点最初预测的液-液转换。但这很难达到,铃木说,没有外界认为的解决方案。

液-液过渡的观察在这种水溶液具有说服力,”化学物理学家说弗朗西斯科·Mallamace大学的在意大利墨西拿。化学工程师巴勃罗Debenedetti普林斯顿大学的一位专家在过冷液体,表示同意。铃木的重要论文充分证明了可逆的液-液过渡,没有溶质偏析,”他说。

铃木还不知道为什么海藻糖企稳水对结晶好,相比之下,甘油,但这可能有助于解释为什么生活使用它作为防冻剂。虽然Mallamace认为海藻糖甚至会改变水的结构形成氢键在这些相对较低的浓度,铃木Debenedetti认为很合理的推断结果纯水的极限,他们似乎很适合过渡边界和临界点之前预测。

结果仍然不构成液-液转换的决定性证据在过冷水,Debenedetti说道,但他们“大大添加到越来越多的证据表明,这个假说是一致的”。