水的最大谜团之一被解释《科学》

水体中的新临界点

研究人员在过冷水中发现了一个隐藏的临界点，解释了其异常行为。这种难以捉摸的状态——两种液态融合——可能是理解水为何如此独特的关键。

科学家们发现了水中隐藏的一种状态，这解释了水体奇异的行为。

斯德哥尔摩大学的研究人员利用先进的X射线激光技术揭示了水长期以来被怀疑的一个特征：当水深度超冷，约-63°C、1000大气压时，会出现临界点。这种隐蔽状态有助于解释水在正常条件下表现异常的原因。研究结果已发表在《科学》杂志上。

水无处不在，对生命至关重要，但它的行为与大多数其他液体截然不同。密度、比热、粘度和可压缩性等性质对温度和压力的反应与科学家观察到的其他物质形成了相反。

为什么水会违背正常的物理规律

大多数材料冷却时密度会增加。按照这个逻辑，水应该在冰点时密度最高。然而，日常观察显示情况正好相反。冰是漂浮的，意味着它比液态水密度更低。事实上，水在4摄氏度时达到最大密度，这也是为什么它会在玻璃或天然水体中沉入冰层以下的原因。

当水冷却到4度以下时，水又开始膨胀。如果纯水在不结冰的情况下进一步冷却到0度以下（结晶缓慢时可能结冰），膨胀会持续，甚至随着温度下降而加速。随着水冷却，其他性质，包括可压缩性和热容，也变得越来越罕见。

X射线激光揭示水的隐藏状态

为了调查这些谜团，科学家们在韩国的设施中使用了超快X射线脉冲，使他们能够在水结冰前观察水。这使得识别关键点成为可能，并确认了其在塑造水异常行为中的作用。

斯德哥尔摩大学物理系化学物理教授安德斯·尼尔森说：“特别之处在于，我们能够在冰冻之前以难以想象的速度进行X射线扫描，观察到液-液转变如何消失，新的临界态出现。”“几十年来，关于这些非凡特性的解释一直存在各种猜测和不同理论，其中一种理论是存在一个临界点。现在我们发现，这样的点确实存在。”

两种液态水和临界跃迁

水的特殊之处在于，在低温高压下，水可以以两种不同的液体形式存在。这些形式在分子的排列和键合上有所不同。随着温度升高和压力下降，这两种液态之间的区别消失，在临界点融合为单相。

该区域极不稳定，在广泛的温度和压力范围内产生波动，甚至达到日常条件。在此状态下，水在两种液体结构间移动，几乎仿佛无法集中在其中一个。这些波动赋予了水其特殊性质。超过临界点后，水进入超临界状态，即水在正常环境下的状态。

一个靠近“黑洞”状态的减速系统

研究人员还观察到，当系统接近临界点时，动力学显著减缓。斯德哥尔摩大学化学物理研究员罗宾·泰布尔斯基说：“进入临界点时，看起来几乎无法逃脱，就像黑洞一样。”

基于先进技术的突破

“令人惊讶的是，非晶状冰，这种被广泛研究的水态，竟然成了我们进入关键区域的入口。这对我后续的研究极具启发，也提醒我在诸如水等被广泛研究的领域取得新发现的可能性，“斯德哥尔摩大学化学物理博士后艾格里姆·卡里娜说。

斯德哥尔摩大学化学物理博士生Iason Andronis说：“能够在如此低温条件下测量水而不结冰，简直是梦想成真。”“许多人梦想找到这个关键点，但在X射线激光技术出现之前，相关手段尚未出现。”

对科学与生命的影响

“我觉得非常令人兴奋的是，水是生命存在的环境条件下唯一的超临界液体，而且我们也知道没有水就没有生命。这纯属巧合，还是未来我们需要获得一些重要知识？“斯德哥尔摩大学化学物理副教授菲沃斯·佩拉基斯说。

一个多世纪以来，科学家们一直在争论为何水的行为如此不同，这可以追溯到沃尔夫冈·伦琴的工作。据安德斯·尼尔森称，这一发现或许最终能解决这一争论。“研究水物理的研究人员现在可以确定水在过冷状态下有一个临界点的模型。下一步是探讨这些发现对水在物理、化学、生物、地质和气候相关过程中的重要性的影响。未来几年将面临巨大挑战。”

Reference: “Experimental evidence of a liquid-liquid critical point in supercooled water” by Seonju You, Marjorie Ladd-Parada, Kyeongmin Nam, Aigerim Karina, Seoyoung Lee, Myeongsik Shin, Cheolhee Yang, Yeseul Han, Sangmin Jeong, Kichan Park, Kyeongwon Kim, Minjeong Ki, Robin Tyburski, Iason Andronis, Keely Ralf, Jae Hyuk Lee, Intae Eom, Minseok Kim, Rory Ma, Dogeun Jang, Fivos Perakis, Peter H. Poole, Katrin Amann-Winkel, Kyung Hwan Kim and Anders Nilsson, 26 March 2026, Science.