美国科学家打破温度记录,让「非常冷」的水仍然能够保持液态

这不仅仅是在工程师组合中能够炫耀的有趣事情,这项成就也可以帮助我们更了解水是如何结冻的,这在一系列的科学领域都有影响,从气象(meteorology)到冷冻保存(cryopreservation)。

美国科学家打破温度记录,让「非常冷」的水仍然能够保持液态

科学家刚刚已证实,水的凝固点可以比我们认为可能的温度还要来的更低。

极冷液态水

藉由取很小滴、尺寸只有150纳米的水滴,休斯敦大学(University of Houston)的工程师团队已经将临界温度门槛推至摄氏-44度,而且更显著地是,他们准确地测量出这个温度。

这不仅仅是在工程师组合中能够炫耀的有趣事情,这项成就也可以帮助我们更了解水是如何结冻的,这在一系列的科学领域都有影响,从气象(meteorology)到冷冻保存(cryopreservation)。

美国德州休斯敦大学的机械工程师哈蒂·加萨米教授(Hadi Ghasemi)说:「实验上,探测几个奈米水滴的凝固点一直以来是个未解决的挑战。 在此,藉由新研发的计量学,我们已能够探测从微米尺度缩小至2纳米规模时水滴的凝固。」

特殊的水

我们大部分的人都不会对水想太多,因为它随处可见,而且对我们的生存是必须的。 但事实上,常见的水其实相当诡异:它表现得并不像其他液体。 即使是其结冻的方式也是诡异的:当其他液体的密度会随着冷却下来而增加,当水凝固时,其密度反而会减小。

水的表现已被相当地描述与研究。 比方说,我们知道水在许多温度下会倾向于成核、或者形成冰晶,有时候它们能抵抗这个过程至摄氏 -38 度。 但再冷却下去,即使最顽固的水分子都会集结一起而形成冰。

藉由将纳米水滴放置于一个柔软的表面,例如胶或是脂类,加萨米教授与其同事将这个温度继续往下推。 接着,藉由使用电阻计量学以及傅里叶转换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)来取得温度,他们在水结冻时探测了水滴。

介于表面与小水滴间的柔软接口,似乎在抑制冰成核上扮演了角色,很可能是由于该界面在水滴上产生了很大压力的方式而造成。 这是因为水的凝固点会随着环境压力的上升而下降。 最显著的效果在仅有2纳米的水滴上被看到。

加沙米教授说:「我们发现,如果水滴与柔软的接口接触的话,凝固温度可能就会比与硬表面接触时来的更低很多。 此外,若是与柔软接口接触的话,几个奈米的水滴可以避开结冻至摄氏 -44 度。」

研究贡献

小水滴冷冻的方式对于冷冻保存而言非常重要,因为细胞内小水滴的冷冻能够造成那些细胞破裂而死。 学到如何减缓或是停止那项过程能够帮助科学家找到方法来缓解该效果。

它亦可以帮助我们更佳地了解大气中的成核是如何发生的,而在那微小的水滴会凝结。 此外,研究人员说,它也可以帮助我们更佳地设计会因为暴露于冰下而被影响的科技,例如飞机与风力发电机。

研究人员在论文中写到:「这些发现与古典成核理论的预测很一致。 了解这个对于更佳地了解自然现象、以及替航空、风能、以及基础建设、甚至是冷冻保存系统设计合理的防结冻系统而言,都贡献良多。 这些发现提供了对各种大自然现象的理解、以及提供一条路来设计更好的抗冷冻仿生学、或者光滑的液体浸润界面。」

更多科学与科技新闻都可以直接上 明日科学网站http://www.tomorrowsci.com

引用数据 :

Starr, M., (2021, December 10). Scientists Smash Temperature Record on Keeping ‘Freezing Cold’ Water in Liquid Form. Futurism
Hakimian, A. et al., (2021, November 30). Freezing of few nanometers water droplets. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-021-27346-w

图片来源:https://www.sciencealert.com/scientists-break-a-temperature-record-on-keeping-freezing-cold-water-in-its-liquid-form(图:Alexander Nikitin/moment/Getty Images)

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2 条回复 A文章作者 M管理员
  1. Liu

    改变气压也可以吧,水不是有16种状态吗

    • 明日科学

      好像是,感觉这个不神奇吧

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