雪花眩目的美,是對於水能夠在凝固點以下,形成令人驚艷形狀的證明。當置於壓力之下,水分子的優雅舞蹈,在超級寒冷的溫度之下,扭曲成為某個詭異的東西,本質上就是將它們自己綁成結的樣子,避免轉變成冰。

兩種型式

英國伯明翰大學(University of Birmingham)以及義大利羅馬大學(Sapienza Università di Roma)的研究人員們檢視了加壓水中的分子行為,這些加壓水是被擺放在通常會造成它們結晶的狀態之下。

藉由使用一個嶄新方法,來替作為懸浮粒子的水的行為建立模型,研究人員辨識出了兩種不同液體狀態的特色:其中一種是「拓樸學上很複雜」,以類似於扭結餅(pretzel)的反手結形式連接;另外一種是形成更低密度的簡單環狀。

伯明翰大學的化學家德威帕楊·查克拉帕蒂博士(Dwaipayan Chakrabarti)說:「這個水的膠體模型提供了水分子的放大鏡,讓我們能夠揭開關於水的雙液體秘密。」

突破極限

制定於 1990 年代的理論提出了,當水過冷,也就是冷卻到典型凝固點之下卻沒有固化時,各種可能發生的分子反應。

多年來到現在,科學家們一直在突破極限,讓冷卻的水不要轉變成固體狀態。最終,終於在極冷的攝氏 -263 度下,讓水在一瞬間維持於一個混沌的液體狀態,而沒有轉變成冰。

就在實驗室中,展示這些狀態的方面所取得的進展方面而言,科學家仍然在嘗試理解出,當熱被移除時,過冷液體到底看起來長什麼樣子。

模擬結果

很顯然,在臨界點時,水分子間互相競爭的極性吸引力,會凌駕搖晃粒子的熱力學。在沒有肘部的空間,將水分子推成結晶狀態之下,分子必須要找到其他更舒適的組態。

由於有那麼多因素在影響,研究人員通常他們所能簡化的因素,並專注於重要的變數。在這個例子當中,將水的「團塊」視作它們彷彿是溶於液體中的大顆粒子,這有助於更加了解從其中一個排列變成另一種排列時的變化。

根據此觀點所形成電腦模型,展示出了彼此推開的水分子間的細微變化,以及一種由彼此更靠近的粒子所構成的、呈現更緊密的型態。

很有趣的是,在水中環境的分子互動形狀、或是拓樸,也看起來完全不同。當分子擠在一起時,它們會纏結成複雜的網路;或者,當他們互相推開時,會形成更簡單的形式。

羅馬大學的凝聚體物理學家弗朗切斯科·西奧蒂諾教授(Francesco Sciortino)說:「在這項研究中,我們首次提出一項液體-液體相變化的觀點,是基於分子纏結的想法。我很確定,這項研究會啟發,基於拓樸學概念而產生的嶄新理論模型。」

持續研究

這纏結粒子網路的奇怪空間已經成熟,等著要被探索。雖然不全然與長鏈的共價鍵分子不相似,但是如此的結是暫態的,會隨著液體環境變化而變換成員。

有鑑於它們纏結的互動,在高壓、低溫環境下發現的液態水特性,應該會很不像潑濺在地球表面上的任何東西。

不僅僅是這些情況下的水,若能知道這些情況下的其他液體的拓樸行為的話,可以給我們新見解,了解在極端或是難以到達的環境,例如遙遠行星深處下的材料活動。

西奧蒂諾教授說:「夢想看看這會有多美好,如果我們可以往液體內部看,並觀察水分子舞蹈,看它們閃爍的方式、以及它們交換夥伴來重建氫鍵網路的方式。若實現我們對水所提出的膠體模型,則可以讓這個夢想成真。」

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參考資料:

  1. McRae, M., (2022, August 22). Water Can Separate Into 2 Different Liquids. We Just Got Closer to Knowing Why. ScienceAlert
  2. Neophytou, A. et al., (2022, August 11). Topological nature of the liquid–liquid phase transition in tetrahedral liquids. Nature Physics. doi.org/10.1038/s41567-022-01698-6
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/water-can-separate-into-2-different-liquids-we-just-got-closer-to-knowing-why(圖:Andriy Onufriyenko/Moment/Getty Images)
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