越来越多的证据表明水以两种液体形式存在

液态水有两种形式吗？自从这一想法在25年前首次提出以来，这场辩论就一直在激烈进行。一项新的研究现在增加了可能确实有两种的证据。它报告了两种液态之间相变的直接实验证据-但在离子溶液中，而不是在纯水中。然而，研究人员说，混合物中水的状态与纯大块液体中的状态非常相似，这有力地表明水本身也可能表现出类似的行为。

美国波士顿大学的物理学家尤金·斯坦利(Eugene Stanley)没有参与这项研究，他说：“这是真正杰出的工作。”“到目前为止，这些实验提供了支持这一假设的最引人注目的实验证据。”

但美国普林斯顿大学的巴勃罗·德比尼代蒂说，对于水本身可能的相变来说，这还不是确凿的证据。他说，推理是优雅的，实验似乎做得很好。但研究结果“对水中可能发生的事情具有启发性--不会更多，但肯定也不会更少”。

水有两种液态的观点是由斯坦利、他的博士后研究员彼得·普尔和他们的同事在1992年提出的。2他们的计算机模拟显示，液体分成两种不同密度的状态，由一级阶梯状划分，就像冻结相变一样，在特定温度和压力下的临界点结束，两相变得无法区分。

问题是，所有这一切都发生在冰点以下的深度过冷的水中，并在高压下被挤压。在这些条件下，液体状态只是亚稳态：暂时稳定，但不如冰稳定。水可以在不结冰的情况下过冷，但只能达到一定程度。随着过冷程度的加深，要防止冰晶在整个系统中成核并引发冻结变得更加困难。在预测的液-液转变条件下-低于-75°C和高于几千个大气压-冰的形成或多或少是不可能防止的。

一些实验试图在深度过冷的条件下探测水，例如通过将水包裹在小乳滴中以减少冰核的机会。但从来没有人到达过预测液体-液体转变的亚稳态“无人区”。

然而，依靠计算机模拟来推断水在这些条件下的行为是危险的。水是一种非常不寻常的液体，因为它有很强的定向氢键，众所周知，它很难准确模拟。一些研究人员认为，显示液-液相变的计算是不可靠的，这两个相是模拟的产物，没有被允许达到平衡。其他3人对这一说法提出异议。4.。

但现在，荷兰阿姆斯特丹大学的桑德·沃特森和伯恩德·恩辛及其同事已经找到了一种防止过冷水结冰的方法-尽管是通过添加三氟乙酸肼盐来使过冷水变得不纯。

“基本的想法是通过加入溶质来抑制冰的结晶，”德比尼代蒂说。向水中加盐来防止结冰是众所周知的效果。但这种特殊的盐溶液的不同寻常之处在于，它仍然表现出几乎“理想”的行为，这意味着溶质似乎并没有太大地改变液体结构。德比尼代蒂解释说，在这种情况下，“人们预计水的结构与纯净的液体只会有轻微的偏差”。Woutersen和他的同事报告说，计算机模拟显示，溶液中水结构的任何变化都很像在压力下出现的纯水中的变化。它们的红外光谱探测了水分子的O-H振动，对氢键的性质很敏感，似乎证实了大多数水分子的局部环境与大块液体非常相似。这是因为肼和三氟乙酸根离子可以以一种在很大程度上保留这种结构的方式参与氢键。

盐溶液可以深度过冷，低至零下133摄氏度左右，而不会结冰。在零下80摄氏度左右，溶液经历了似乎是一级相变的过程，根据红外光谱，它涉及两个液态-而不是，比如说，向玻璃固态的转变。

美国亚利桑那州立大学的作家奥斯汀·安吉尔说：“冰的结晶破坏了水在无人区‘想要做什么’的所有其他尝试。”“我们已经用理想溶液定律把‘结晶幕’推到一边，足以看到一些看起来像模拟显示的可逆液-液转变的东西。”

德比尼代蒂说，最终，亚稳态水中双液相的事实需要在纯液体中证明或证伪。他说，与此同时，系统的谨慎选择、热力学思维的清晰和执行中的谨慎，使这项工作对正在进行的深过冷水相态探索做出了有价值的贡献。

然而，一些研究人员对这个系统是否能告诉我们任何关于液态水本身的信息持保留态度。英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的艾伦·索珀(Alan Soper)说，这个实验看起来很合理，但它是否与纯净水有关还是一个悬而未决的问题。“在混合物和溶液中有相关临界点的液-液转变的例子很多，但这一事实不能用来暗示水本身就有这样的转变。”

同样在卢瑟福·阿普尔顿工作的丹尼尔·鲍伦(Daniel Bowron)对此表示赞同。他说，这篇论文给我留下的问题比答案多得多。“实验工作显然进行得非常仔细，数据也很漂亮，但这是否说明了水的行为和特性，这有点牵强。”他补充说，即使模拟显示水的局部结构在溶液中保持不变，“液-液分离最终发生在比第一个邻居相互作用更长的尺度上”。更重要的是，德比尼代蒂、索珀和鲍伦都同意，红外光谱学是一种相当迟钝的工具，可以用来探测所看到的变化是否真的是一级相变。

然而，安吉尔乐观地认为，它们可以更接近纯水的行为方式。“这些溶液应该同样容易受到乳液法的研究。”因此，我们应该能够通过使用乳液来推动更高的水分含量，而不会结冰。不管怎么说，我们还没有走到路的尽头。