3月22日是国际水日。水不仅是一种名贵的生命资源，它独特的性质也招引了许多科学家的重视。科学家初次观测到极冷液态水以两种明显不同的结构共存，而且这两种结构的份额受温度影响。在远低于冰点的极低温度下，水能够以液态方式存在，而且仍是两种液体的混合体。由美国能源部太平洋西北国家试验室（PNNL）完结的研讨成果宣布在《科学》（）杂志上，供给了可贵的试验数据来解说水在温度极低的外太空，以及大气稀缺的地球环境等极点条件下表现出的乖僻特性。直到现在，九天到达的最极点温度下的液态水仍是许多理论与假说争辩的目标。一些科学家们火急地想知道水可不九天在-83.15℃（190 K）的极低温度下实在存在，过冷水是否仅仅液态水转化为固相这一进程中的“必经之路”？“咱们的研讨依据成果得出，在极冷温度下液态水不仅仅相对稳定性较好，它还能以两种结构构象存在。” PNNL 的化学物理学家 Greg Kimmel 指出，长期以来，科学家们一向对过冷水是否总在系统到达平衡前结晶这样的一个问题争议不断，新研讨成果将他们多年的问号拉直成了感叹号——答案是否定的！你或许觉得咱们现在现已很了解水了。水覆盖了地球上高达71%的面积，是这个星球上散布最广泛、被研讨最透彻的物质之一。但是千万别被它单纯的表面骗了：尽管它每个分子仅由2个H和1个O组成，看起来非常简略，但H2O其实很杂乱。比方，水由于低温而凝结的现象就很“不容易”。水很难在刚好低于熔点的温度结冰，除非有尘土或其他固体物质作为凝结核供水分子附着，耳濡目染结冰进程。因此在纯水中，分子从液态规则摆放构成固体需求额定的扰动。奇特的是，与其他液体不同，从液相转化为固相时，它的体积会增大。但是，正是水的这个特性滋补着地球上万物的成长。假如冰块下沉、大气中的水蒸气无法贮存热量，那么地球上的生命将不复存在。水的这种美妙性质让化学物理学家Bruce Kay和Greg Kimmel25 年来一向为它痴迷。现在，他们同博士后Loni Kringle、Wyatt Thornley总算取得了里程碑式的发展，拓宽了人们对液体水分子行为的了解。为解说水不寻常的性质，科学家们提出了多个模型。通过给过冷水拍“快照”（snapshot）生成定格动画（stop-motion）而取得的新多个方面数据显现，它能浓缩成高密度、液体状的结构。这种高密度方式的水与一种低密度结构（与经典水的价键结构共同）共存。跟着温度从-28.15℃（245 K）降到-83.15℃（190 K），高密度液体的占比敏捷下降，支撑了过冷水“混合模型”的猜测。使用红外光谱仪，Kringle和Thornley成功调查到了用激光炸毁一层薄冰时水分子的定格动画。他们发现，在短短几纳秒的时间内，过冷液态水便产生了。
图片来历：Timothy Holland, Pacific Northwest National Laboratory“一个重要的观测发现是一切结构改变都是可逆、可重复的”， Kringle在进行了多个试验后总结道。当气候变冷，有时会有小小的白色疏松颗粒突如其来，此现状被称为霰。这项研讨或许还能解说为什么霰是暴风雪的先兆：霰是雪花与大气上层的过冷液态水相互作用构成的。“大气层上部的液态水是高度冷却的，” PNNL试验室成员、水物理学专家Kay解说道，“当它碰到雪花时，液态水敏捷冷结冰。在适宜的条件下向大地飞去。这大概是许多人对过冷水效应的仅有体会了。除了解说地球上的气候现象，这些研讨还有助于了解液态水是如安在木星、土星、天王星和海王星这些冰冷的星球上存在的。别的，当彗星扫过夜空时，它那美丽耀眼的长尾巴也是过冷水蒸汽构成的。在地球上，对水分子行为的深化了解能够在必定程度上协助科学家规划新药。究竟，水分子好像一位体操运动员，能够在拥堵的状况下在蛋白质中灵敏络绎，设法卡进蛋白质的位点。
“每个蛋白周围留给水分子的运动空间并不多，” Kringle表明，“这项研讨阐明晰液态水是怎么样应对严密堆积的环境的。”Thornley还指出，“在往后的研讨中，咱们咱们能够使用这个新方法来盯梢多种化学反应中的分子重排状况。”尽管仍有许多不知道的事物值得探究，但这些观测成果将使咱们对地球生命之源有进一步了解。
