2018年，美国院士及合作者[5]选择了X射线自由电子激光器（X-ray free-laser，XFEL）这一研究物质微观结构的利器，对一般难以观测到的水进行了观测。见于月球。 二氧化碳的另一相——等离子态（二氧化碳由带正电和带负电的粒子组成）。 这是由单个高硬度 X 射线脉冲形成的，它是通过无热加热将液态水瞬间（0.0075 秒，或 75 皮秒以内）加热到 100,000 摄氏度而形成的。 在这个 75 皮秒脉冲照射期间，水的氧-氧径向分布函数 (RDF) 显示，在前 25 皮秒内仍可以看到水的结构保持完整（图 3a），然后是第二个 RDF 和第三个峰（对应第二个和第三个溶剂层）消失，结构出现无序，而第一个峰连接到更长的距离（氧-氧距离：3.5 Å）。 上述观察到的变化趋势与离子水在10,000K时的理想化分子动力学模拟非常相似（图3b），进一步否定了脉冲辐照后的水不再是低温状态下的水，而是处于低温状态下的水。离子态。 通常，当水被加热时，水分子会简单地振动并变强； 然而，X射线立即激发了水分子中的电子，体系中的正离子和自由电子突然减少。 联通，所以在 75 皮秒内，水经历了从液体到等离子体的相变。 由于粒子没有时间四处移动，因此等离子体的密度与液态水相同。 据悉，这项研究的结果还提醒我们，任何暴露在这种X射线脉冲下的生物结构都会被破坏。 不管怎么说，对水等离子体态的观察，为揭示水的本质、探索生命的奥秘奠定了更加坚实的基础。
图 3.a。 在 75 fs 脉冲内，结构从液态水转变为等离子水的全过程。 b. 三种不同结构水（300K、有无电离）氧-氧径向分布函数图。 图片来源：美国科学院院刊
当水被限制在纳米尺寸的孔隙中时，由于孔壁的分子间势能对其中的水产生一定的作用，因此被限制的水（水）具有不同于普通水的特殊微观结构。 目前，碳纳米管是承压水研究中应用最广泛的物质。 迄今为止，研究成果相当丰富，但尚未系统地量化一定半径的各种单个孤立碳纳米管中水的相变。 研究，这正是麻省理工学院S.院士研究团队在2017年发表的研究成果[6]。
研究人员选择了六根不同半径（1.05-1.52nm）的碳纳米管，通过径向呼吸模式（Mode，RBM）频率在拉曼光谱中的位移（2-5cm-1）来追踪水。 步进和可逆的凝聚态相变过程。 有趣的是，在半径为 1.05 nm 的碳纳米管中（图 4a），液态水可以在高达 138 °C 的温度下冻结成“冰”（不同于一般冰的特定晶体结构）。 图 4c 的结果表明，水的熔点对碳纳米管的半径非常敏感，尤其是在 1.05nm 和 1.06nm 的窄范围内，因为刚性官能团数量的减少使得液相像冰一样更稳定，导致水的熔点异常下降。 据悉，研究人员还发现，碳纳米管中的水相可以可逆地改变碳纳米管的轴向导热系数，降低幅度可达500%，这使得热流体的数控模式成为可能。 这一研究成果可以说开启了冰纳米管（冰）及其潜在重要应用的研究。
图 4a。 碳纳米管中水的相变图。 b. 碳纳米管中水的三种状态示意图。 C。 碳纳米管中水的熔点。 图片来源：Nat..
除了上述对水的直接观察和研究外，研究人员还采用特殊的方法间接研究水在特定环境和条件下的相变和行为模拟。
科学家们早就预测水的热力学异常与水的液气相变有关，但迄今为止这种相变还没有通过实验观察到，因为水冷却后很快就会结冰。 于是，聪明的科学家们找到了一个“替身”来代替水。 两人身体相似，能力却不同。 ——-gas phase ，这是美国佛罗里达州立大学C院士及其合作者课题组于2018年发表的研究成果[7]。 研究人员使用富含水的三氟丙酮肼氨 () 代替水，因为该体系的局部构象结构与高压下的纯水中非常相似。 然后用量热法、红外光谱和分子动力学模拟研究了这个替代品。
图 5. (N2HD4/N2D5) TFA 液滴在 HDO/D2O 中的液-气相变图（H/D = ~3%）。 A. 气温扫描成像图。 B. 冷却过程中的红外光谱。 C. 重新加热的红外光谱。 图片来源：
在相距约25μm的两个CaF2玻璃窗之间充入约1μl三氟肼氨水（水的摩尔百分比：=0.50-0.84），在超冷条件下会突然由均一的液态变为另一种均相液态，如碱液的红外光谱图（图5B）所示，在298K时出现-1的峰，温度升高到190K时向-1移动。 出现的液体密度较低，但具有不同的由官能团键合的分子排列，由于键合增加，导致液体更粘稠。 当体温升至204K时，碱液仍处于流动状态（图5C），进一步加热至227K时，碱液开始结晶（图5A）。 事实上，研究人员首次观察到可逆的液-气相变，这两种液体的电负性结构类似于利西德非晶（high-温度与水的密度变化表，HDA）水和低密度非晶（low-，LDA）水 两态配合物在它们之间的相变过程中的结构是相似的。 可见，研究人员选择的“替身”果然功不可没！ 可以说是揭开了水家秘密的一角。
美国研究人员通过对性质与水相似的化合物进行比较研究，寻找水的异常性质的症结所在。 由于水的这些反常特性也适用于容易产生多面体局部结构的液体，如硅、锗、碳、二氧化硅的液体，美国东京研究所院长课题组重点研究多面体() λ 是生成多面体结构倾向的大小，控制着研究液体化学和物理的反常行为 [8]。 通过调整经典-Weber (SW) 模型的多面体 λ 值，可以获得类水材料行为（异常）和简单流体行为（正常）之间的连续转换。 据悉，为了合理化多面体液体热力学和动力学的异常特性，研究人员还采用了双态模型，即水（气相）可视为处于热力学平衡状态的两种成分的混合物，即两个分量对应两个状态，一个是S状态，高度有序的状态； 另一种是ρ态，一种相对无序的状态，S态控制着混合物的异常程度。
图 6. 左图：水局部结构中的典型瞬态 ρ 和 S 状态 [9]。 右图：两国模型的剖析。 (A) 不同λ值下S态成分随温度T的变化 （P=0）； (B) (C) 和 (D) 是随 λ 变化的二态参数 ΔE、g 和 Δv（水：λ=23.15）。 图片来源：美国科学院院刊
研究结果表明，随着 λ 的减小，两种状态之间的能量差 ΔE 也急剧减小（图 6B），双态模型预测驱动力朝向更有序的 S 状态，这解释了当 λ 减小时连续出现性质异常原因是随着多面体相互作用的增加，液体的局部结构看起来更加有序。 局部稳定结构的出现创造了灵活多变的异常特性。 液体中的水使双态特性最大化，导致与任何其他物质相比异常特殊的异常性质。 所以二态特性是水的异常特性的灵活性的根源，这使得水本身对化学和物理扰动极其敏感。 事实上，水、硅、氧化钛等液体都是非常重要的物质。 这项研究的结果有望更好地系统地了解这组物质的特性。 有望在生命科学、月球科学等广泛领域形成产业链。 反应。
至此，诸位群雄争霸的情况，你是不是已经清楚了！ 无论是研究各种环境中的水（如纳米管中的水、地表水、生物体中的水、盐水等）进行实验观察、估计模拟，还是提出合理的模型，都是为了揭开水异常性质的秘密，发现水的异常性质。水结构的本质！ 但是，一切都保持不变。 从上述“战局”可以看出，虽然官能团结构（多面体）的清晰度是核心关键，但无论是动态结构还是静态结构，都说明了结构的复杂性。水复合物的结构变化。 ！ 也可以说，水的灵活特性是由于其“不完美”的结构而造就的。 现在大侠们对于水的构造的理解，也只能算是窥豹一斑了。 他们什么时候才能完全了解？
最后温度与水的密度变化表，以老娘的一句格言结束，“上善若水，水善万物而不争，人所厌恶，故胜于道。”
参考
1. 要知道的更多..., 2005, 309, 78-102, DOI: 10.1126/.309.5731.78b
2. 液态水结构研究进展。 科学通报, 2016, 61, 3181-3187, DOI: 10.1360/-00924
3. -m., 2016, 351, 1310-1313, DOI: 10.1126/.
4. 在水中., 2016, 351, 1267-1268, DOI: 10.1126/.
5. --Laser。 美国国家科学院院刊, 2018, 115, 5652-5657, DOI: 10.1073/美国国家科学院院刊。
6. 水相。 国家.., 2017, 12, 267-273, DOI: 10.1038/NNANO.2016.254
7. A--LDA., 2018, 359, 1127-1131, DOI: 10.1126/.
8. 像水一样的asaof。 美国国家科学院院刊, 2018, 115, E3333-3341, DOI: 10.1073/美国国家科学院院刊。
9. 水下。 美国国家科学院院刊, 2018, 115, 9444-9449, DOI: 10.1073/美国国家科学院院刊。
（本文由 MgoMg 投稿）
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