水的這種隱藏狀態可以解釋生命存在的原因

水無所不在，對生命至關重要，但它的行為與大多數其他液體不同。密度、熱容、黏度和壓縮性等特性對溫度和壓力的反應方式與科學家在典型物質中看到的相反。

在大多數材料中，冷卻會導致收縮和壓實。根據這個模型，水結冰時必須達到最高密度。相反，冰會漂浮，而液態水實際上在 4 攝氏度時密度最大。這就是為什麼在湖泊和海洋中較冷的水會停留在較溫暖的水下方。

當水冷卻到4度以下時，它又開始膨脹。如果純水被冷卻到 0 度以下（結晶緩慢發生），這種膨脹就會持續，並且隨著溫度進一步下降而加速。隨著溫度下降，其他特性，包括壓縮性和熱容，表現出越來越不尋常的方式。

用 X 射線雷射捕捉水的隱藏狀態

為了研究這些奇怪的行為，科學家使用了韓國強大的雷射產生的極快的 X 射線脈衝。由於這些脈衝，他們觀察到水在變成冰之前處於過冷狀態。

斯德哥爾摩大學物理系物理化學教授安德斯·尼爾森 (Anders Nilsson) 表示：“特別之處在於，我們在冰結冰之前拍攝了難以想像的快速 X 射線，並能夠看到液-液轉變如何顯著以及新的臨界狀態如何出現。” “幾十年來，一直有各種猜測和不同的理論來解釋這些顯著的特性，其中一種理論是我們發現的。

水的兩種液體形式和臨界轉變

在低溫和高壓下，水可以以具有不同分子鍵結構的兩種不同液相存在。隨著條件的變化，這兩種形式在臨界點合併成一個相。

接近這一點時，系統變得高度不穩定，水在兩種液態或其混合物之間快速移動。即使在正常的環境條件下，這些波動也會在很寬的溫度和壓力範圍內傳播。科學家認為，這些不斷的變化賦予了水不尋常的特性。

超過臨界點，水進入超臨界狀態，在日常條件下，它已經存在於這種狀態。

水動力學中的「類黑洞」效應

研究人員也發現，當水接近臨界點時，分子運動會急劇減慢。

斯德哥爾摩大學化學物理學研究員羅賓·泰伯斯基 (Robin Tyburski) 表示：“一旦進入臨界點，就幾乎無法逃脫，就像黑洞一樣。”

數十年的醞釀

斯德哥爾摩大學化學物理學博士後艾傑里姆·卡里娜（Aigerim Karina）表示：“令人驚訝的是，非晶態冰（一種經過大量研究的水態）竟然成為了關鍵區域的入口。這對我的研究來說是一個巨大的啟發，並提醒我在廣泛研究的課題中做出發現的可能性。”

斯德哥爾摩大學化學物理學博士生伊森·安德羅尼斯 (Iason Andronis) 表示：“能夠在如此低的溫度下測量水而不結冰，真是夢想成真。” “許多人都夢想找到那個臨界點，但在 X 射線激光器出現之前，還沒有這種方法。”

「我覺得非常令人興奮的是，水是生命存在的環境中唯一的超臨界流體，而且我們也知道沒有水就沒有生命。這只是巧合還是未來可以獲得重要的知識？」斯德哥爾摩大學化學物理學副教授 Fivos Perakis 說道。

解開與水有關的謎團

「自從沃夫岡·倫琴 (Wolfgang Röntgen) 發表第一篇作品以來，一個多世紀以來，水的奇怪特性的起源一直受到激烈爭論，」安德斯·尼爾森 (Anders Nilsson) 解釋道。 “研究水物理學的研究人員現在可以確定水在過冷狀態中具有臨界點的模型。下一階段是發現水在物理、化學、生物、地質和氣候相關過程中的重要性。這將是未來幾年的巨大挑戰。”

這項發現背後的國際合作

這項研究是斯德哥爾摩大學、浦項科技大學和韓國 PAL-XFEL、馬克斯·普朗克學會、德國約翰內斯·古騰堡大學和神田舊金山澤維爾大學之間的合作。貢獻者包括 Aigerim Karina、Robin Tyburski、Iason Andronis 和 Fivos Perakis，以及斯德哥爾摩大學化學物理小組的前成員。