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为什么水喜欢单身生活  

2013-04-02 22:16:48|  分类: ★ 动态论坛 |  标签: |举报 |字号 订阅

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为什么水喜欢单身生活 - 愚人 - 愚人:踏平富士山,让樱花不再烂漫!

水的双重生活?

 自从二十年前关于水能以两种形式存在的观点被提出以来就引来种种议论。但是现在有关水的“液体——液相变”的课题已经被加州大学伯克利分校的两位研究人员着重挑战,他们称利用电脑进行模拟,对水广泛搜索后发现根本没有“液体——液相变”的存在。反而,他们认为先前的结论是因为在没有到达平衡状态而进行模拟,为解释实验得出的一般问题而得出的结论。

有关水可能有两种不同相的说法可以追溯到1992年基恩.斯坦利和同事在波士顿大学研究经过过度冷却的亚稳区水。他们使用电脑模拟而不是实验,当水倾向于结冰时实验变得很难做。斯坦利和他的同事发现在温度低至-75摄氏度和几千倍大气压的情况下,亚稳态的水能够自然的分为两种形式。它们的边界线存在于一个临界点,在那里它们变得没有区别。

混乱中的秩序?

从本质上看液体是由无数无序分布的分子组成,鉴于很难判断两种混乱有什么明显不同,所以那种液体能以两种形式存在的想法是匪夷所思的。尽管如此,当水分子们通过氢键连接到一个不断变化的三维网络时,情况又变的有所不同。每一个水分子在四面体排列中有(平均)四个近邻,这使得液体有相对稳定的局部结构。然而,氢键趋向于使分子彼此排斥,否则分子们会挨得更近。对于冰,氢键的存在创造了一个相当开放的晶体结构,但是对于液态的水很多氢键不是被破坏了就是变型了,使得分子彼此更接近。

斯坦利和他的同事把液体——液体过渡看成两种不同倾向的的反映;一方面,分子们渴望通过氢键维持一个相当开放的结构;但是在另一方面,当氢键被破坏时他们就变得密集,无规则分布。在水的一种假定的亚稳结构中,有着“低密度液体”(LDL)和其他“高密度液体”(HDL)的分别。

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几种不同的液体——液体过渡已经被发现,不管是对水的模拟还是在一些实验中,水都有一种类似于四面体配位的结构,如硅和磷。斯坦利确实已经提出许多关于水的著名异常——比如,其密度高峰在四摄氏度——是两种不同液相在亚稳区域的一种共鸣。

没有区别

但是现在伯克利的戴维.里默和戴维.钱德勒声称他们的电脑模拟显示在亚稳区域只有一种液相,并最终会变为冰。自从2011年他们有关此事的第一篇论文发表后,他们的观点就引起了强烈的讨论。新的工作更为详细,但是还是没有发现有关液体——液体状态的证据。

为什么有人看过液体转变呢?里默和前德勒解释道,在模拟中,仅仅等待混乱的体系平息到一个可以视为系统达到密度比平衡的稳定状态,是不够的。他们认为需要等足够长的时间测得平衡的第二个参数,会有非晶相的晶体出现。但是后来,他们认为在水到冰的转变过程中,因为涉及到大领域的重新定位,所以可以做几千次的关于密度比平衡测定。

“结晶的过程中,在一个时间表内【第二参数】的变化微乎其微,但是在高密度液体形成部分晶体的过程中密度比会相较于低密度液体的在好几倍的范围内波动”前德勒解释道,“因此会有人错误的认为密度波动代表不同液相之间的转变。”斯坦利,可是,依旧没有被说服。“所有关于模拟现实水的电位都和液体——液相变的假设相吻合”

激烈的辩论

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巴勃罗德贝内代蒂,是纽约,伊萨卡,普林斯顿大学的一位化学物理学家,也依旧相信液体——液体过渡的观点是正确的,最近他发表报告表明模拟显示出两种液相使用同一个水势,而里默和前德勒的报告只有单相。他认为伯克利的两个人只是观测到了两种亚稳态水相图的区域外围。前德勒,尽管如此,否定了巴勃罗德贝内代蒂的说法,“毫无疑问,我们看到了相同的相位区域。”

 上周在巴尔的摩召开的美国物理学会会议上,德贝内黛蒂提出了进一步的结果支持液相变的观点,“在相同的温度和压强下,我可以给出有关两种共存亚稳液相的明确计算的证据和稳定的晶体”他说道,“我们的计算结果和戴维.前德勒的完全不一致,我们清楚的看到两种而不是一种液相。”

斯坦利同样指出“液体——液体过渡”明显的存在于一个不仅仅是水的系统中。“磷的不同态似乎是真实存在的,我相信液硫和磷相似”他同时指出“这些现象和液体——液体过渡不同,因为后者是无法被直接观测到的”

有关这一观点似乎进入了僵局。“很明显需要一个关于这个论题的独立评估,”前德勒如是说


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