您现在的位置:首页   科学研究   研究进展

四面体结构解释水的独特性

编辑: 时间:2020年10月26日 访问次数:0

水是地球上最重要也最复杂的物质之一。它看似普通却有着与其它液体截然不同的物理特性。水的反常行为,例如密度在4达到极大值和水的高比热容,对生命具有重大意义。自伦琴时代(1892年)以来,水的反常行为的物理本质在学术界引起了极大争论,至今尚无定论。



 

浙江大学物理学系石锐课题组在前期研究中,发现了液态水具有两态结构的关键性证据(Rui Shi and Hajime Tanaka, JACS, 2020, 142, 2868–2875)。分析指出,水分子在液态水中会自发形成两种不同的微观排列方式,其中一种形成局域有序的四面体结构,另一种为无序的简单液体结构。就像许多其它的相变一样,两态共存可能会存在一个临界点。在该临界点附近,四面体结构的空间关联服从幂律分布,并在临界点处趋于无穷大。

 


图一、水的相图,其中五角星为推测的液液相变临界点,红色区域为临界区,紫红色区域为实验上易于观察到水的反常行为的温度和压强范围。


在此基础之上,石锐课题组和日本东京大学Hajime Tanaka教授合作构建了一个多尺度两态模型,通过大量的结构、热力学和动力学实验数据分析——包括X射线衍射,密度,压缩系数,热容,扩散系数和黏度等——并结合分子动力学模拟,成功地解释了水的诸多热力学和动力学反常行为。进一步的研究结果显示,水的液液相变临界点可能存在于-90℃和1700个大气压附近(图一)。在这个温度下,水会快速结冰,因而实验测量变得十分困难。但是在非常高的压强下,水仍然可以以亚稳态过冷水的形式存在。虽然该研究支持液液相变临界点的存在,但理论分析指出该临界点对水的反常行为的影响却可以忽略不计。这是因为临界点的影响会随着远离临界点而快速衰减。生活中观察到水的反常行为的液态范围距离该临界点十分遥远,故而临界涨落已经可以忽略不计(图一)。这项研究指出,水的反常行为起源于水中自发形成的两态结构,而不是水的临界行为。相关论文以“The anomalies and criticality of liquid water”为题发表在美国科学院院刊(PNAS)上。

相关论文信息:Rui Shi and Hajime Tanaka, The anomalies and criticality of liquid water, PNAS, DOI: 10.1073/pnas.2008426117

 

石锐课题组主页:https://person.zju.edu.cn/ruishi