水的奇怪狀態(tài)似乎同時(shí)是固體和液體

水可能看起來(lái)很無(wú)聊，但是這更奇怪了比看起來(lái)要多。日本的科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)證明，當(dāng)被限制在狹小的空間內(nèi)時(shí)，水分子可以同時(shí)表現(xiàn)為固體和液體。

我們?cè)诤暧^尺度上體驗(yàn)到的液態(tài)水和冰之間的差異始于微觀。在冰中，分子被鎖定在剛性結(jié)構(gòu)中，而在水中，它們本質(zhì)上是自由漂浮的，不斷形成和斷裂鍵。

相關(guān)：水可以分離成 2 種不同的液體。我們才更接近了解原因

在新論文中描述的特殊狀態(tài)下，分子可以同時(shí)做這兩件事。它們處于固定位置，就像冰一樣，但旋轉(zhuǎn)速度像在液體中一樣快。稱為預(yù)熔狀態(tài)，這種情況以前沒(méi)有直接研究過(guò)。

“預(yù)熔狀態(tài)涉及不完全氫鍵的 H 的熔化₂O 在完全凍結(jié)的冰結(jié)構(gòu)在加熱過(guò)程中開(kāi)始融化之前，”說(shuō)Makoto Tadokoro，東京理科大學(xué)化學(xué)家。

“它本質(zhì)上構(gòu)成了一種新的水相，其中冷凍的 H₂O 層和緩慢移動(dòng)的 H₂哦，共存。

看到這種奇怪的狀態(tài)需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。首先，水并不完全是我們?cè)谌粘Ｉ钪辛?xí)慣的類型：它是所謂的“重水”，氫原子被替換為氘，一種氫同位素，在其原子核中裝有中子。

這個(gè)“D₂O“然后被限制在一個(gè)極其狹窄的空間中，各種奇異的行為都會(huì)出現(xiàn)。研究人員制造了具有僅 1.6 納米寬的微小親水通道的棒狀晶體，凍結(jié)其中的重水，然后慢慢將它們加熱回來(lái)。

最后，他們使用靜態(tài)固態(tài)氘觀看了整個(gè)過(guò)程核磁共振（核磁共振）波譜。這表明分子正在形成一個(gè)分層的三層結(jié)構(gòu)，每一層都有不同類型的運(yùn)動(dòng)和相互作用。

這預(yù)熔狀態(tài)我們最熟悉的可能是在冰表面形成的一層薄薄的水膜，即使溫度仍低于冰點(diǎn)。但它在大塊冰中發(fā)生的方式與在極端限制下發(fā)生的方式不同。

眾所周知，當(dāng)水被限制在納米尺度上時(shí)，會(huì)做一些奇怪的事情。其電氣特性可以改變;它可以制作'無(wú)法凍結(jié)' 即使在接近絕對(duì)零度的溫度下，或者它可以在溫度下凍結(jié)固體這應(yīng)該讓它沸騰。

該團(tuán)隊(duì)表示，利用這些怪癖也可能有實(shí)際用途。

“通過(guò)創(chuàng)建新的冰網(wǎng)結(jié)構(gòu)，或許可以儲(chǔ)存氫氣和甲烷等高能氣體，并開(kāi)發(fā)人工天然氣水合物等水基材料?！?a>說(shuō)田所。

該研究發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志.

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