过冷水实际上是两种液体的混合物。这是美国能源部太平洋西北国家实验室的一个研究小组在首次测量液态水的温度远低于其典型的冰点后得出的结论。

 

这一发现发表在今天的《科学》杂志上，它提供了人们长期以来一直在寻找的实验数据，来解释水在外太空和地球大气层远端极端低温下所表现出的一些奇怪行为。到目前为止，在可能的最极端温度下的液态水一直是相互竞争的理论和猜想的主题。一些科学家提出疑问，水是否有可能在低至-117.7华氏度(190 K)的低温下以液体的形式存在，或者这种奇怪的行为只是水在其不可避免的路径上重新排列成固体。

 

这个争论很重要，因为理解覆盖了地球表面71%的水，对于理解它如何调节我们的环境、我们的身体和生命本身至关重要。

 

PNNL的化学物理学家格雷格·基梅尔(Greg Kimmel)说:“我们发现，液态水在极端低温下不仅相对稳定，而且存在两种结构模式。”这一发现解释了一个长期存在的争议，即深度过冷水在达到平衡之前是否总是会结晶。答案是否定的。”

 

过冷水:两种液体的故事

 

你可能认为我们现在已经了解了水。它是地球上最丰富和研究最多的物质之一。尽管H2O看起来很简单——每个分子由两个氢原子和一个氧原子组成——但它却复杂得令人费解。

 

水在低于熔点时结冰是非常困难的:除非有什么东西可以让水结冰，比如灰尘或其他可以附着的固体。在纯水中，需要一种强有力的推动，才能将分子推挤成结冰所需的特殊结构。它在结冰时会膨胀，这与其他液体相比很奇怪。但正是这种怪异维系着地球上的生命。如果冰块下沉或者大气中的水蒸气不能保持热量，我们所知道的地球上的生命就不会存在。

 

水的奇怪行为已经让化学物理学家布鲁斯·凯和格雷格·基梅尔忙了25年。现在，他们和博士后科学家Loni Kringle和Wyatt Thornley完成了一个里程碑，他们希望能扩大我们对液态水分子扭曲的理解。

 

人们提出了各种各样的模型来解释水的不同寻常的特性。通过对过冷水的一种定格“快照”获得的新数据表明，过冷水可以凝结成高密度的液体状结构。这种高密度形式与低密度结构共存，这更符合水的典型键合预期。随着温度从-18.7 F (245 K)到-117.7 F (190 K)，高密度液体的比例迅速下降，这支持了对过冷水“混合”模型的预测。

 

当一层冰薄膜被激光轰击，在几纳秒内形成过冷的液态水时，克林格和索恩利利用红外光谱技术来探测处于静止状态的水分子。