发现超冷水新属性


  有一项研究,领导者是美国布法罗大学(UB)研究人员吉安卡洛•佛兰仔斯(Giancarlo Franzese),发表在杂志《物理评论快报》(Physical Review Letters),这项研究表明,疏水性纳米限制(nanoconfinement)改变水的热力学性质,在超冷温度下就会这样。这些发现有重要的应用,应用领域涉及到低温贮存(约-100℃),例如保存干细胞、血液和食品。

  研究小组领导是吉安卡洛•佛兰仔斯,他来自美国布法罗大学基础物理系,小组也有研究人员来自波士顿大学(Boston University)和布法罗大学柏林学院。

  水表现出非典型的流体行为。它有一个独特的特点,就是增加热容量需要水冷却,这是一种反常现象,使我们能够调节体温。水处于超冷状态时,也就是说,当它在液体状态,温度低于熔点时,异常范围就会扩大。这种不规则行为已引起激烈辩论,近二十年来,它是一个关键,可以解释水为什么如此不同于其他液体,为什么它对生物有机体如此重要。

  从技术角度来看,很难直接观察超冷水,许多研究人员选择使用纳米限制(nanoconfinement)。在这项研究中,研究小组利用蒙特•卡罗(Monte Carlo)模拟来研究一个水层,水层只有一纳米高,大约相当于三个水分子的直径,被限制在两个疏水板之间。疏水纳米粒子随后被添加到水层上的随机位置,产生纳米通道(nanochannels)或不同的尺寸。

  这一过程结果是大大减少了热力学波动(thermodynamic fluctuations),体现于压缩性、热膨胀系数(thermal expansion coefficient)和比热(specific heat)。所观察到的减少出现于所有压力测试中,压力范围在180兆帕斯卡(MPa)时,波动减少大约99%,纳米粒子的体积浓度是25%。降低幅度被发现高达90%,即使粒子浓度低10倍也是这样。

  据吉安卡洛•佛兰仔斯说,结果表明,从热力学行为上看,水限制在疏水纳米通道中,非常不同于未受限制的水,甚至可能出现不止一种液相(liquid phase),就在这一范围的测试温度和压力内.