2018年，美國院士及合作者[5]選擇了X射線自由電子激光器（X-ray free-laser，XFEL）這一研究物質微觀結構的利器，對一般難以觀測到的水進行了觀測。見于月球。 二氧化碳的另一相——等離子態（二氧化碳由帶正電和帶負電的粒子組成）。 這是由單個高硬度 X 射線脈沖形成的，它是通過無熱加熱將液態水瞬間（0.0075 秒，或 75 皮秒以內）加熱到 100,000 攝氏度而形成的。 在這個 75 皮秒脈沖照射期間，水的氧-氧徑向分布函數 (RDF) 顯示，在前 25 皮秒內仍可以看到水的結構保持完整（圖 3a），然后是第二個 RDF 和第三個峰（對應第二個和第三個溶劑層）消失，結構出現無序，而第一個峰連接到更長的距離（氧-氧距離：3.5 ?）。 上述觀察到的變化趨勢與離子水在10,000K時的理想化分子動力學模擬非常相似（圖3b），進一步否定了脈沖輻照后的水不再是低溫狀態下的水，而是處于低溫狀態下的水。離子態。 通常，當水被加熱時，水分子會簡單地振動并變強； 然而，X射線立即激發了水分子中的電子，體系中的正離子和自由電子突然減少。 聯通，所以在 75 皮秒內，水經歷了從液體到等離子體的相變。 由于粒子沒有時間四處移動，因此等離子體的密度與液態水相同。 據悉，這項研究的結果還提醒我們，任何暴露在這種X射線脈沖下的生物結構都會被破壞。 不管怎么說，對水等離子體態的觀察，為揭示水的本質、探索生命的奧秘奠定了更加堅實的基礎。
圖 3.a。 在 75 fs 脈沖內，結構從液態水轉變為等離子水的全過程。 b. 三種不同結構水（300K、有無電離）氧-氧徑向分布函數圖。 圖片來源：美國科學院院刊
當水被限制在納米尺寸的孔隙中時，由于孔壁的分子間勢能對其中的水產生一定的作用，因此被限制的水（水）具有不同于普通水的特殊微觀結構。 目前，碳納米管是承壓水研究中應用最廣泛的物質。 迄今為止，研究成果相當豐富，但尚未系統地量化一定半徑的各種單個孤立碳納米管中水的相變。 研究，這正是麻省理工學院S.院士研究團隊在2017年發表的研究成果[6]。
研究人員選擇了六根不同半徑（1.05-1.52nm）的碳納米管，通過徑向呼吸模式（Mode，RBM）頻率在拉曼光譜中的位移（2-5cm-1）來追蹤水。 步進和可逆的凝聚態相變過程。 有趣的是，在半徑為 1.05 nm 的碳納米管中（圖 4a），液態水可以在高達 138 °C 的溫度下凍結成“冰”（不同于一般冰的特定晶體結構）。 圖 4c 的結果表明，水的熔點對碳納米管的半徑非常敏感，尤其是在 1.05nm 和 1.06nm 的窄范圍內，因為剛性官能團數量的減少使得液相像冰一樣更穩定，導致水的熔點異常下降。 據悉，研究人員還發現，碳納米管中的水相可以可逆地改變碳納米管的軸向導熱系數，降低幅度可達500%，這使得熱流體的數控模式成為可能。 這一研究成果可以說開啟了冰納米管（冰）及其潛在重要應用的研究。
圖 4a。 碳納米管中水的相變圖。 b. 碳納米管中水的三種狀態示意圖。 C。 碳納米管中水的熔點。 圖片來源：Nat..
除了上述對水的直接觀察和研究外，研究人員還采用特殊的方法間接研究水在特定環境和條件下的相變和行為模擬。
科學家們早就預測水的熱力學異常與水的液氣相變有關，但迄今為止這種相變還沒有通過實驗觀察到，因為水冷卻后很快就會結冰。 于是，聰明的科學家們找到了一個“替身”來代替水。 兩人身體相似，能力卻不同。 ——-gas phase ，這是美國佛羅里達州立大學C院士及其合作者課題組于2018年發表的研究成果[7]。 研究人員使用富含水的三氟丙酮肼氨 () 代替水，因為該體系的局部構象結構與高壓下的純水中非常相似。 然后用量熱法、紅外光譜和分子動力學模擬研究了這個替代品。
圖 5. (N2HD4/N2D5) TFA 液滴在 HDO/D2O 中的液-氣相變圖（H/D = ~3%）。 A. 氣溫掃描成像圖。 B. 冷卻過程中的紅外光譜。 C. 重新加熱的紅外光譜。 圖片來源：
在相距約25μm的兩個CaF2玻璃窗之間充入約1μl三氟肼氨水（水的摩爾百分比：=0.50-0.84），在超冷條件下會突然由均一的液態變為另一種均相液態，如堿液的紅外光譜圖（圖5B）所示，在298K時出現-1的峰，溫度升高到190K時向-1移動。 出現的液體密度較低，但具有不同的由官能團鍵合的分子排列，由于鍵合增加，導致液體更粘稠。 當體溫升至204K時，堿液仍處于流動狀態（圖5C），進一步加熱至227K時，堿液開始結晶（圖5A）。 事實上，研究人員首次觀察到可逆的液-氣相變，這兩種液體的電負性結構類似于利西德非晶（high-溫度與水的密度變化表，HDA）水和低密度非晶（low-，LDA）水 兩態配合物在它們之間的相變過程中的結構是相似的。 可見，研究人員選擇的“替身”果然功不可沒！ 可以說是揭開了水家秘密的一角。
美國研究人員通過對性質與水相似的化合物進行比較研究，尋找水的異常性質的癥結所在。 由于水的這些反常特性也適用于容易產生多面體局部結構的液體，如硅、鍺、碳、二氧化硅的液體，美國東京研究所院長課題組重點研究多面體() λ 是生成多面體結構傾向的大小，控制著研究液體化學和物理的反常行為 [8]。 通過調整經典-Weber (SW) 模型的多面體 λ 值，可以獲得類水材料行為（異常）和簡單流體行為（正常）之間的連續轉換。 據悉，為了合理化多面體液體熱力學和動力學的異常特性，研究人員還采用了雙態模型，即水（氣相）可視為處于熱力學平衡狀態的兩種成分的混合物，即兩個分量對應兩個狀態，一個是S狀態，高度有序的狀態； 另一種是ρ態，一種相對無序的狀態，S態控制著混合物的異常程度。
圖 6. 左圖：水局部結構中的典型瞬態 ρ 和 S 狀態 [9]。 右圖：兩國模型的剖析。 (A) 不同λ值下S態成分隨溫度T的變化 （P=0）； (B) (C) 和 (D) 是隨 λ 變化的二態參數 ΔE、g 和 Δv（水：λ=23.15）。 圖片來源：美國科學院院刊
研究結果表明，隨著 λ 的減小，兩種狀態之間的能量差 ΔE 也急劇減小（圖 6B），雙態模型預測驅動力朝向更有序的 S 狀態，這解釋了當 λ 減小時連續出現性質異常原因是隨著多面體相互作用的增加，液體的局部結構看起來更加有序。 局部穩定結構的出現創造了靈活多變的異常特性。 液體中的水使雙態特性最大化，導致與任何其他物質相比異常特殊的異常性質。 所以二態特性是水的異常特性的靈活性的根源，這使得水本身對化學和物理擾動極其敏感。 事實上，水、硅、氧化鈦等液體都是非常重要的物質。 這項研究的結果有望更好地系統地了解這組物質的特性。 有望在生命科學、月球科學等廣泛領域形成產業鏈。 反應。
至此，諸位群雄爭霸的情況，你是不是已經清楚了！ 無論是研究各種環境中的水（如納米管中的水、地表水、生物體中的水、鹽水等）進行實驗觀察、估計模擬，還是提出合理的模型，都是為了揭開水異常性質的秘密，發現水的異常性質。水結構的本質！ 但是，一切都保持不變。 從上述“戰局”可以看出，雖然官能團結構（多面體）的清晰度是核心關鍵，但無論是動態結構還是靜態結構，都說明了結構的復雜性。水復合物的結構變化。 ！ 也可以說，水的靈活特性是由于其“不完美”的結構而造就的。 現在大俠們對于水的構造的理解，也只能算是窺豹一斑了。 他們什么時候才能完全了解？
最后溫度與水的密度變化表，以老娘的一句格言結束，“上善若水，水善萬物而不爭，人所厭惡，故勝于道。”
參考
1. 要知道的更多..., 2005, 309, 78-102, DOI: 10.1126/.309.5731.78b
2. 液態水結構研究進展。 科學通報, 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。 美國國家科學院院刊, 2018, 115, 5652-5657, DOI: 10.1073/美國國家科學院院刊。
6. 水相。 國家.., 2017, 12, 267-273, DOI: 10.1038/NNANO.2016.254
7. A--LDA., 2018, 359, 1127-1131, DOI: 10.1126/.
8. 像水一樣的asaof。 美國國家科學院院刊, 2018, 115, E3333-3341, DOI: 10.1073/美國國家科學院院刊。
9. 水下。 美國國家科學院院刊, 2018, 115, 9444-9449, DOI: 10.1073/美國國家科學院院刊。
（本文由 MgoMg 投稿）
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