H2-Oh！水的液态形式有两种？

水是地球上最基础的分子之一，地球上的每一个生命体的存在都离不开它。水又是一种特别奇怪的物质，而科学家对水的这些奇异特性的了解才刚刚开始。例如，研究人员到现在才发现，原来液态水存在两种不同的液相，并且在结构或是密度上有着很大的差异。

瑞典斯德哥尔摩大学的物理学家利用X射线对水分子进行了详尽的研究，并发现水并不只是单相，而是处于高密度与低密度两种形式之间的波动。

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△两种不同密度的超粘液态水的艺术想象图。背景中描绘的是水在低温度被加压而产生的高密度无定形冰的实际的X射线散斑图样。（图片来源：Mattias Karlén）

研究人员Lars G.M. Pettersson说：“新的结果非常有力地证实了，当室温下的水不能决定应当处于高密度或低密度这两种形式中的哪一种时，便会导致两者间的局部波动。简而言之，水不是一种复杂的液体，而是两种有着复杂关系的简单液体。 ”

我们上中学时学过，水有三种不同的态：液态水，固体冰和水蒸气。但实际情况并不仅这么简单，水还存在一个类等离子体的状态。除此以外，我们非常熟悉的标准的水的三相，也比我们以为的要奇特得多。

例如，水是除了水银之外具有最高表面张力的液体；再有，水会在冻结时膨胀，这与绝大部分已知的物质都不同。

此外，如碲化氢（H2Te）和硫化氢（H2S）等其它氢化物，沸点一般都随着其分子大小的减小而降低，而分子量如此小的水分子，却拥有惊人的高沸点。

水所具有的独一无二的特性还不仅于此，科学家已经确定了液态水在其熔点、密度、热容等种种性质上超过70种的不同于大多数其他液态物质的特点。

长期以来，水一直被人争论的一个奇怪之处，在于它是否不止存在一种液相。而这个想法是基于研究人员已经知道冰可以有高-低两种不同密度的形式存在这样一个事实。

当说起冰时，许多人想到的通常都会是晶体冰，即其所有分子都以高度有序的形式重复排列。但实际上更常见的一种冰的形式，是非晶体的无定形冰，它的分子排列是无序的。尽管这不是我们大多数人所熟悉的冰，但无定形冰却可能是整个宇宙中最常见的固态H2O的类型，它可以在不同的高密度和低密度版本之间转换。

因此，研究人员开始猜测，或许液态水也可以有同样的属性。但在此之前，没有足够适合的技术能在分子层面展开详尽的研究。而斯德哥尔摩大学的这支研究队伍现在已经克服了这项研究在实验验证上所面对的巨大技术难题。

他们使用了两种不同类型的X射线成像，来确定水分子在不同时间的相对位置，尤其是在低温下追踪两相之间的转化。它能观测到当水从非晶态、玻璃态的冷冻液体状，转变为有粘性的液体过程中，H2O分子的移动和分子间的距离情况。

研究员Katrin Amann-Winkel说：“长久以来我一直在研究非晶体无定形冰，目的是为了确定它们是否可以被表述为冷冻液体的一种玻璃态。现在能在这么清晰的视角下了解水从玻璃态转变为一种粘稠的液体、甚至几乎立即转变成一种不同的更粘稠的低密度液体的过程，让我梦想成真了。”

研究人员Anders Nilsson说：“一个很棒的新特点是，我们发现水在结晶缓慢的低温下时，可以以两种不同的液体形式存在。”当然，这只是一次的研究结果，在决定重新改写教科书之前，还需要其他科研团队对这项研究进行更进一步的验证。

但是水的这种奇异的液态相也不是第一次被科学家偶然发现了。去年，牛津大学的一个团队发现，在40到60摄氏度之间，液态水可以“切换”状态，并根据其切换到的状态展现出一整套新的属性。

更重要的是，这项新的研究给我们增加更多新的谜题，我们也正要开始逐渐揭示这种无所不在的分子的神秘面纱，看看真实的它们到底有多怪、多迷人。

英国著名科学作家Philip Ball就曾在《自然》杂志上说：“没有人真正了解水。或许这是个令人尴尬的现实，但这个覆盖地球三分之二的东西对我们来说仍然是个谜。更糟糕的是，我们看到的越多，发现的问题也就越多：新的技术将研究瞄准到水的分子层面，让更多的谜团被抛出。”

这些新的结果不仅能让我们对水在不同的温度与压力下有个总体理解，还帮助我们理解对生命非常重要的盐和生物分子会如何影响水。此外，对水的了解更多，更有助于我们对如何净化、淡化水产生新的见解。鉴于全球气候变化的趋势，这将是人类即将面临的主要挑战之一。

参考来源：

【1】http://www.sciencealert.com/physicists-just-showed-water-can-exist-as-two-different-liquids

【2】https://phys.org/news/2017-06-liquids.html

【3】http://www.pnas.org/content/early/2017/06/23/1705303114

【4】http://www.academia.edu/2230441/Water_Water_an_enduring_mystery

【5】https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Physical_Properties_of_Matter/States_of_Matter/Properties_of_Liquids/Unusual_Properties_of_Water