发现了水分子的新性质---水的新特性

发表时间:2018/10/10 3:23:25  来源:《物理评论快报》  浏览次数:22  
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戴着水肺的潜水员在看冰洞,同时在潜水。

美国纽约大学的一个研究团队发现了水分子的新性质,这是一种以前没有被注意到的现象。

众所周知,液态水是其自身电离产物的优良载体。水的这种显著特性使它成为新兴电化学能源生产和储存技术(如燃料电池)的关键组成部分。事实上,如果水没有这种特性,生命本身就不可能存在。

水是由氢键组成的,我们可以把氢键看成是复杂的、弱的、定向的相互作用网络。近一个世纪以来,人们一直认为水运输氢离子和氢氧根离子的机制是互为镜像的——除了过程中氢键的方向不同外,其他都是相同的。然而,目前最先进的理论模型和计算机模拟预测了这些机制的不对称性。如果这种不对称是正确的,在不同的应用程序中,就可以利用这种不对称来裁剪系统,使其偏向于某一个离子。

由于难以直接观察这两种离子,对其进行实验证明仍然是一个难题。不同的实验只提供了证明不对称性的一瞥。

由纽约大学Alexej Jerschow教授领导的科研团队,其中包括纽约大学博士后研究员Emilia Silletta和纽约大学化学和数学教授Mark Tuckerman,设计了一个新奇的实验来验证这种不对称问题,并将最新发现于8月13日发表在了《物理评论快报》杂志上。

他们的实验方法是将水冷却到其最大密度温度,在这个温度下,这种不对称性将最明显地表现出来,使其有可能被检测到。

众所周知,浮冰漂浮在水面上,湖泊从顶部结冰。这是因为水分子的密度比液态水低。水的不寻常性质的一种表现在于:液态水的密度在略高于冰点时增加,在4摄氏度(39华氏度)时达到最大值,即最大密度温度;这种密度上的差异说明水的液体总是位于冰下。

通过将水冷却到这个温度,研究小组采用了核磁共振方法来证明两个离子的寿命差异达到了最大值(寿命越大,传输速度越慢)。通过观察寿命的差异,来确定不对称性。

如前所述,水是由一个氧原子和两个氢原子组成的,但氢原子是相对移动的,可以从一个分子跳到另一个分子,正是这种跳跃使得这两个离子能在水中移动。

为了寻找与温度有关的特征的解释,研究人员关注了这种跳跃的速度。研究人员发现,4摄氏度时,某一种实验条件导致OH-的跳跃速度明显慢于H+。由于这也是最大密度温度,研究人员认为这两种现象必须联系起来。此外,他们的结果表明,在这种温度下,分子的跳跃行为发生了突变。

这项研究的通讯作者Jerschow说:“研究水的分子特性是非常有趣的,因为它在促进生理过程中起着核心作用。这项新发现相当令人惊讶,它可能使人们更深入地了解水的性质以及它在许多自然现象中的作用。”

该发现还会对其他大量研究产生影响,包括对体内酶功能的研究,以及解释生物体在低温和高酸性环境等恶劣环境下是如何茁壮成长的。

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