过冷水中液-液转变的实验证明

一些理论化学家认为，如果在环境条件下，液态水是两相的混合物，在低温和高压下会分离，那么液态水的许多不寻常的性质，比如它在冷冻时密度降低，在压缩时粘度降低，都可以得到解释。然而，之前的实验尝试都受到实验考虑的阻碍。现在，一种新的方法，包括激光加热来自异国冷冻状态的压力水，提供了比以往更直接的验证。

在2017年,安德斯尼尔森瑞典斯德哥尔摩大学的研究人员及其同事对微米尺度的水滴进行了飞秒x射线散射，这些水滴被冷却到-40˚C左右。他们的结果捕捉到了水结构的变化，表明当水冷却时，它会接近一个临界点，在这个临界点上会分裂成两个不同的阶段。不幸的是，要真正进入这个两相区域，理论模拟表明，需要千巴尺度的压力:“我们计算出，我们需要一个几英寸厚的钢容器，通过巨大的绝缘将其保持在极低的温度下，并像炸弹一样将其带入x射线激光，”尼尔森说:“这不是我们可以进入的途径……另一种选择是从下面(温度)上升。”

在150K以下，水可以以一种称为高密度无定形冰的玻璃亚稳态存在，因为分子没有足够的能量来结晶。在新的研究中，尼尔森和他的同事们在低温恒温器内放置高压下产生的高密度无定形冰样本，然后使用红外激光脉冲进一步增加它们的压力。当样品被减压时，这种压力会以热量的形式消散，使分子在3到50微秒后形成结晶冰。在泵送红外线脉冲后的可变时间内，研究人员用x射线探针脉冲击中每个样品，使他们能够跟踪分子的状态。

他们得出的结论是，他们观察到的衍射模式表明，高密度的无定形冰融化成高密度液体，经历了向低密度液体的相变，然后才形成传统的冰。研究人员现在希望使用这种技术来观察临界点本身的转变。尼尔森说:“这当然是非常具有挑战性的，可能要花上几年时间，但我们对如何做到这一点有一个想法。”

“我认为这是一篇非常重要的论文，”理论化学家说巴勃罗Debenetti他是美国普林斯顿大学的教授。“要在实验上研究液-液转变，你必须能够在低温、极短时间和高压下进行测量，而这是第一次有人做到了这三种情况。”这是一项了不起的实验成就。”