EPFL（洛桑联邦理工学院）的研究人员找到了一种研究“无人区”中水的方法，这是一个零度以下的温度范围，水在此处会迅速结晶。从历史上看，由于无法进入“无人区”，研究人员无法解开水的异常性质，但现在突破性的方法可以改变这一点。
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水是地球上最重要、分布最广的化合物之一。它覆盖了地球表面 70% 以上的面积，塑造了地球的成分和地质结构，调节着地球的气候和天气模式，并且是我们所知的所有生命的基础。
但是水也很奇怪。它表现出许多异常特性，迄今为止，科学家们已经发现七十多种。有几种理论试图解释这些异常现象，但很难通过实验验证它们。原因之一是这需要研究 160 K 到 232 K（约-113 °C 到 -41 °C）之间的水，这是一个臭名昭著的温度范围，被称为“无人区”，在这个温度范围内，水的结晶速度非常快，以至于科学家不可能研究它的性质。
但为什么会有人想要将水冷却到这么低的温度呢？因为当水冷却到冰点以下时，它会变得“过冷”，具有独特而迷人的特性；例如，在某些条件下，它可以保持液态，但在受到干扰或接触某些物质时会立即冻结。过冷水是通过将液态水冷却到冰点以下而获得的，同时使用一些技巧来防止它结晶或至少减慢这个过程。不过，即使有这些技巧，它在‘无人区’中结晶还是太快了。
EPFL 基础科学学院的 Ulrich Lorenz 教授说：“几十年来，系统地探索所谓‘无人区’水结构的实验一直难以实现。”现在，由Lorenz领导的科学家们已经找到了一种方法。该团队开发了一种方法，可以在一个明确的温度下快速制备深度过冷水，并在其结晶之前用电子衍射对其进行探测。
“尽管这个话题已经争论了四十多年，但我们仍然没有完全理解为什么水是一种异常液体，答案似乎就在‘无人区’。但由于结晶速度太快，无法在整个温度范围内进行任何测量。这是第一次尝试，使我们离解开这个长期存在的谜团更近了一步。”
科学家们使用他们在实验室定制的专用时间分辨电子显微镜进行了实验。他们在明确的温度下制备了过冷水，并在结晶发生之前直接对其进行探测。为此，他们将一层石墨烯冷却至 101 K（约-172°C），并沉积了一层非晶冰薄膜。然后，他们用微秒激光脉冲局部熔化薄膜，在“无人区”获取水，并用强烈的高亮度电子脉冲捕捉衍射图案。
研究人员发现，当水从室温冷却到低温时，其结构会平稳演变。在略低于 200 K（约 -73°C）的温度下，水的结构开始看起来像无定形冰——一种水分子处于无序状态的冰——不像我们通常熟悉的整齐的结晶冰。
“结构的平稳演变使我们能够缩小对水异常起源的可能解释的范围，”Lorenz说。“我们的发现和开发的方法使我们离解开水的奥秘又近了一步。很难摆脱这种无处不在、看似简单的液体的魅力，它仍然没有透露它所有的秘密。”
文章来源：洛桑联邦理工学院（EPFL）
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