水不是一種液體，而是兩種！這種奇異特性，或是生命存在的關鍵
水是我們最熟悉、接觸最頻繁的物質之一，我們以為自己對它的性質了如指掌。但實際上，科學家卻從來沒有真正揭開它的真正結構，也難以解釋它的很多奇特性質。最近半年，兩支團隊分別取得的實驗數據支持了一個頗為意外的觀點：水不是一種液體，而是兩種！
撰文 | Katharine Sanderson
翻譯 | 張克文
審校 | 吳非
「水真是太奇怪了。」說這句話的是近乎整個學術生涯都在研究「水」的化學家Anders Nilsson。這個觀點對我們來說或許難以接受，畢竟，還有什麼能比水更尋常？水的行為對我們來說是如此熟悉，它的外表如此普通 。但是水的奇特也是獨一無二的。如果不是因為它的奇特，我們甚至沒有機會在這裡討論這個問題。
我們知道，水在4°C時密度最大。但如果它的性質不是這樣，而是在結冰時密度最大，湖泊和河流會從底部開始結冰，逐步殺死水中的居住者；如果水的比熱容不是這麼大，地球在很久之前就會被燒乾；如果水分子在穿越細胞膜時，不能攜帶其他物質，植物和動物就會死於營養不良。
從伽利略時代起，科學家們就一直在嘗試挖掘水的奇異性質，但始終沒有收穫。如今，通過Nilsson和其同事的工作，我們可能接近於理解為什麼水會有這些行為。他們的解釋就像水自身一樣奇特：水不是一種液體，而是兩種。
水的第二臨界點？
在某些層面上，水具有多種不同的形式，這並不奇怪。取決於你觀測的壓強和溫度，水可以是固態、液態或氣態的。在海平面，水在100°C時轉化為蒸汽，但是在氣壓較低的高海拔地區，水會在更低的溫度下沸騰——時間是省下來了，但是你的茶也被毀掉了。
在絕大多數情況下，液態和氣態是分開的。然而，隨著溫度和壓強的增加，情況開始發生改變。當氣體被壓縮到一定程度時，它的行為開始更像是液體；而當液體被加熱，它也會趨近於氣體的行為。當壓強或溫度足夠高，會到達一個被稱為「臨界點」的微妙平衡點，在這一點你無法區分你看到的到底是哪一態。而略微降低壓強或溫度，水就會回到液態或氣態。
這也是兩種液體故事的開端。首先忽略壓強，幾乎所有物質在高溫下都有一個氣相和液相交匯的臨界點，但是少數材料在低溫下還有一個神秘的第二臨界點。比如，如果你在適當條件下冷卻液態硅和鍺，它們可以轉化成兩種不同密度的液體：原子組成相同，但是不同的結構賦予了它們不同的性質。
儘管它們也很奇怪，但除了學術上的用途，這些第二臨界點並沒有引起太多關注。如果你不是專門研究液態硅的，這一領域可能不會引起你的注意。
1992年，波士頓大學Peter Poole 和Gene Stanley領導的團隊改變了這一局面。他們被一個宣稱水的密度在低溫下存在漲落的試驗所吸引：水的溫度越低，密度漲落越明顯。這和所有的理論預言都背道而馳。一般而言，物質溫度越低，密度漲落越小。
為了探明究竟發生了什麼，Poole、Stanley和他們的合作者模擬了水過冷的過程，他們小心地將水降溫，使其低於凝固點而仍然保持液態。他們的計算機模擬證實了水在過冷態的密度漲落行為，而且隨著溫度降低，漲落確實會增大。一些有趣的機制一定在起著作用。
Poole和Stanley的團隊猜想，這是第二臨界點的特徵：水被區分成兩種密度不同的液體，每一種都在自己的相中；而在第二臨界點之上，這兩種相難以區分，水會在這兩種相之間快速轉變。因為兩種物質不同的性質，任意一種轉化成另外一種時，都會導致突然的密度變化，這一變化在臨界點時最為顯著。
他們提出的水有兩個臨界點的假說可能有一些古怪。Nilsson說：「任何有關水的事情都存在爭議。」更多的研究者認為水的性質可以用更為傳統的方式解釋。一種解釋是在極低的溫度下，過冷態的水轉變為一種無序的固體，而不是晶體結構的冰。另一種解釋認為，看似是第二臨界點的現象，只是水的一種奇特的凝固方式。
該團隊知道，如果他們關於第二臨界點的認識是正確，通過試驗驗證將極其棘手。臨界點所處的溫度只有-45°C，即使是過冷態的水也會自髮結成冰。「我們所面臨的挑戰是將水極快地冷卻下來，」 Stanley說，「研究它需要非常聰明的試驗設計。」
接憧而至的證據
任職於瑞典斯德哥爾摩大學的Nilsson接受了這一挑戰。他的團隊一直痴迷於水的奇特行為，尤其是Poole和Stanley關於兩種液體的設想。本世紀初，Nilsson在室溫和大氣壓下工作讓他相信水分子可以以兩種結構存在：無序的緻密堆積，以及密度較低的均勻四面體結構。他的試驗表明，在這些外界環境下，低密度的相會浮在混亂的緻密相之上。但他也表示，他的同行並不認同這一觀點。
Nilsson認為，水分子可以以兩種結構存在。
接著在2008年的一系列會議上，他與研究過冷水的同事進行了深入的交流。Nilsson很快發現他們的想法開始成形。Nilsson說，畢竟水只是一種物質，「它不可能在室溫下和過冷狀態下有著不同的描述。」他看見了將這兩種描述統一的機遇。他說：「讓我著迷的是，之前幾乎沒有這方面的試驗研究，大部分都是理論學家的工作。」
在他嘗試證明水也有第二臨界點時，Nilsson著重關注Poole和Stanley理論中的關鍵預言：過冷水的密度在低溫下會有漲落。方案很簡單：測量密度漲落，然後改變條件使漲落增加。沿著這條路線（Stanley以物理化學先驅Benjamin Widom命名的Widom線），最終會到達臨界點。「當你有了Widom線，」 羅馬第三大學的理論物理學家Paola Gallo說，「一定會出現臨界現象。」
實際上這項試驗一點也不簡單。水易於凝結成冰：在微小的雜質周圍，會迅速形成冰晶，這是Nilsson需要首先解決的問題。利用韓國的先進設備，2017年，Nilsson的團隊獲得了極純的水滴，並把它滴入真空室中、冷卻到-45°C。當水滴下落，Nilsson測量它的體積隨壓強的變化，從而獲得其密度。
去年12月， Nilsson團隊公布了試驗結果。在水自髮結冰前極短的一段時間內，他們捕捉到了過冷水狀態的照片。研究者表示，他們捕捉到了Widom線的明顯痕迹，這條軌跡會指向第二臨界點。
一些研究人員，例如Gallo，認為Nilsson的想法十分重要。雖然研究人員稱讚了Nilsson團隊使用的技術，但卻對其結論提出了質疑。英國科技設施委員會盧瑟福·阿普爾頓實驗室的Alan Soper就指出，指向臨界點的試驗證據幾乎為零。「Nilsson在試驗中發現的效應不僅很微弱，而且有著多種可能的解釋，其中之一是在其附近應該有第二臨界點。」
另一位懷疑者，加州大學伯克利分校的Rich Saykally說：「需要更多的證據而不是這些漂亮的新結果來說服眾多的專家。」 正如對Poole和Stanley的批評，Saykally認為，其結果可能只是水在低溫下凝固時的特殊現象。
瑞士日內瓦，羅訥河和鹹水的阿爾沃河交匯。
Henryk Sadura / Alamy Stock Photo
但在今年3月，新的證據再次出現。阿姆斯特丹大學的Sander Woutersen團隊採用了完全不同的思路，他們嘗試了另一種使水降溫時停止結冰的方法：防凍劑。他們所用的防凍劑有著和水相似的分子結構，能夠溶解並混合在周圍液體中。當混合物降溫時，它的密度出現突然變化。因為溶液和純水的結構非常相似，他們認為結果表明水確實有第二臨界點。普林斯頓大學的Pablo Debenedetti 也認為，這項工作支持了水由兩相組成的觀點，但對於這是否為最終結論，他仍持保留意見。
這項工作花了整整26年，而就在幾個月之內，兩組優秀的實驗團隊相繼為Poole和Stanley的預測提供了堅實的數據。「科學就是這樣有趣。」 Stanley說道。
賦予生命的液體
如果這一理論是正確的，其影響不僅限於Nilsson和 Woutersen在實驗室中創造出的奇異形式。「這些討論都可以上升到室溫，也適用於生命。」 Nilsson說。Debenedetti也表示同意：「這些效應的影響十分深遠，不僅僅是臨界點。水在周圍環境中的特性的確反映了其過冷時的特性。」
在倫敦南岸大學的Martin Chaplin看來，水在低溫下存在兩種結構，能夠很好地解釋我們在室溫和大氣壓下看到的水的奇特行為。比如，低於4°C的液態水密度比冰大這一事實，是因為加熱使水的無序性下降，形成密度更大的結構；水的高比熱容，則是因為吸收的能量使得水分子從一種相轉變為另一種。而水壓力下的擴散能力（例如在身體中），則是由於高壓下無序結構的流動性在增加。
對於Stanley來說，這說明水對我們的存在而言十分重要，第二臨界點處密度的巨大漲落可能是生命出現的原因之一。Debenedetti則在繼續驗證這一猜想。他現在正用計算機模型來標記蛋白質在不同溫壓條件下，尤其是第二臨界點附近的行為。Debenedetti說他對在極端條件下蛋白質如何和兩種密度不同的液態水相互作用極為感興趣。
然而，首先要確定的仍然是這一結論正確與否。後續實驗有可能徹底解決這個問題。Nilsson決定去往韓國找到第二臨界點的確切證據。如果他能成功，那麼水的神秘行為將變得清晰起來；而水本身，將變得比以往更加奇特。
https://www.newscientist.com/article/mg23831800-100-h2oh-water-is-actually-two-liquids-disguised-as-one/
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