利用飞秒激光器分析过冷水结构

YXsensing

日本理化学研究所和瑞典斯德哥尔摩大学一个联合研究小组利用日本的X射线自由电子激光设施的激光器SACLA，成功捕捉到过冷状态水（H2O）的结构，验证了水存在液—液相变的临界点，并能在两个液相间转变。

生命离不开水，但人们对水的理解尚不完善。例如水在温度降低时的密度、热容量、等温压缩率等热力学的特征变化与其他液体呈相反状态，由此引发了对水的热力学特征的长期争论，出现了各种假说。其中一种假说认为，液态水具有密度不同的两个相（物态），并在两个相之间摇摆。但是水在温度下降到接近0℃时（过冷状态），状态不稳，会很快结冰，因此迄今为止验证该假说极为困难。

研究小组利用SACLA对过冷状态的水滴进行照射，分析了水的结构。SACLA的脉冲宽度为非常短的飞秒级，可以在冷却的水结冰之前对各个时段的变化进行测量。研究小组对水在各种温度下的数据进行分析，通过分析被水滴散射的X射线得到了水的结构，并调查水冷却时等温压缩率的上升。结果发现，等温压缩率在-44℃时为最大，在此温度下发生反转。同时发现把水中的氢原子（H）置换成重氢原子（D）的重水（D2O）时等温压缩率温度为-40℃。这些发现显示水存在“液—液相变的临界点”，这种相转移影响原子核的量子效应。

该研究成果阐释了水的固有热力学形态的起源，相关论文已发表在《科学》杂志网络版。