利用脉冲激光加热和红外光谱，科学家首次捕捉到了过冷水结构的可逆变化。

《科学》杂志9月18日报道，美国能源部西北太平洋国家实验室的研究人员首次发现，在远低于典型冰点的温度下，水仍然以液体形式存在。过冷的水实际上是两种液体的混合物。

在外太空空或者地球大气层的远端，水在极端温度下会产生一些“奇怪的行为”。本研究为解释这种行为提供了实验数据。关于极端温度下的液态水，仍有许多未解之谜。一些科学家质疑:水在190开尔文的低温下有可能以液体形式存在吗？而水在极端温度下的这种奇怪行为，仅仅是它转变为固态之前的重排行为吗？

这些问题非常重要——地球表面70%以上被水覆盖，因此了解水对环境的调节作用对人类来说意义重大。PNNL大学的化学物理学家Greg Kimmel说:“我们发现，极低温下的液态水不仅相对稳定，而且有两种结构模式。我们的发现结束了长期存在的争议，即深度过冷的水在达到平衡之前是否会一直结晶，答案是否定的。”

水很难冻结在熔点以下，除非它与灰尘或其他可附着的固体混合。在纯水中，需要强大的驱动力来推动水分子进入冻结所需的特殊结构。水结冰时会膨胀，这与其他液体相比非常奇怪。然而，正是这种奇怪的行为维持了地球上的生命:如果冰下沉或大气中的水蒸气不能保持热量，地球上的生命将不复存在。

PNNL科学家布鲁斯·凯和金梅尔已经从事水研究25年了。现在，它们进一步加深了人类对液态水分子的理解。为了解释水的非凡特性，科学家们提出了各种模型。通过分析过冷水的定格快照，研究人员发现过冷水可以凝结成高密度的类液体结构。这种高密度形态与低密度结构共存，非常符合水的典型键合预期。当温度从245开尔文下降到190开尔文时，高密度液体的比例迅速下降，这支持了过冷水“混合模型”的预测。Kringle解释说:“关键的观察是，所有的结构变化都是可逆和可重复的。”

当雪花与高层大气中的过冷水相互作用时，钋就形成了。凯团队的研究可能有助于解释霰的形成。凯说:“高层大气中的液态水被深度冷却。当遇到雪花时，它会迅速冻结，然后在条件合适时落地——这可能是大多数人唯一一次感受到冷水的影响。”

此外，这项新的研究可以帮助科学家分析为什么液态水可以存在于木星、土星和海王星等寒冷的行星上。在未来的研究中，研究人员还可以利用这项研究的结果来追踪化学反应背后的分子重排。此外，更好地理解水在“应激状态”下的扭曲也有助于新药的设计。

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编译:雷新宇

审阅者:谢默斯