日本物質材料研究機構物質研究所研究員三島修和鈴木芳治通過實驗證實,在低溫條件下兩種非晶態(tài)冰之間存在不連續(xù)性轉移.在低溫情況下,低密度水和高密度水呈完全不同的形態(tài).這項研究不僅首次解釋了水在攝氏4度時密度最大的現(xiàn)象,而且在生態(tài)系統(tǒng)、水溶液系統(tǒng)等與水有關的領域有廣泛的研究與應用價值.該成果發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上.
多年來,科學家通過理論計算與實驗,一直在進行水的非晶態(tài)多樣性研究.水通常在攝氏零度時結冰.但水在攝氏零度以下時也可保持液體狀態(tài),稱作過冷卻水.當過冷卻水到達臨界點以下時就會分離出兩種狀態(tài),既低密度水和高密度水.與此相對應,也存在低密度和高密度兩種非晶態(tài)冰.由于水在低溫時易于結冰,也由于沒有非晶態(tài)冰之間互相轉移的現(xiàn)存理論,水的非晶態(tài)多樣性學說存在很多爭論.其中之一就是兩種密度的非晶態(tài)水是否會發(fā)生連續(xù)轉移.
日本科學家的這項研究,觀察了高密度非晶態(tài)冰（HDA）向低密度非晶態(tài)冰（ LDA）變化的過程.發(fā)現(xiàn) H DA在零下158攝氏度以下時整體均一膨脹,在零下158攝氏度時隨著不均一的體積變化迅速向 L DA轉移.在轉移過程中,出現(xiàn)兩種成分共存狀態(tài),隨著時間推移,H DA和LDA逐漸分離.研究證實,低溫下兩種水之間的轉移是不連續(xù)的.
科學家認為,這項研究成果是揭開水領域各種問題的重大突破,將對今后過冷卻水等研究產(chǎn)生重大影響,同時將帶動對同溫層中的云的研究及在冰點下活動的動植物細胞內存在的過冷卻水的研究.如果今后能夠控制這兩種水的臨界點,就可以自由控制水的結晶,對人類控制地球環(huán)境和開發(fā)生物冷卻保存技術極有價值涉及到化學.由于水分子是極性很強的分子,能通過氫鍵結合成締合分子（多個水分子組合在一起）.液態(tài)水,除含有簡單的水分子(H2O)外,同時還含有締合分子,最典型的兩種是(H2O)2和(H2O)3,前者稱為雙分子締合水分子.物質的密度由物質內分子的平均間距決定.當溫度在0℃水未結冰時,大多數(shù)水分子是以(H2O)3的締合分子存在,當溫度升高到3.98℃(101kPa)時水分子多以雙分子締合水分子的形式存在（在水溫由0℃升至4℃的過程中,由締合水分子氫鍵斷裂引起水密度增大的作用,比由分子熱運動速度加快引起水密度減小的作用更大,所以在這個過程中,水的密度隨溫度的增高而加大.）,分子占據(jù)空間相對減小,此時水的密度最大.如果溫度再繼續(xù)升高在3.98℃以上,一般物質熱脹冷縮的規(guī)律即占主導地位了.水溫降到0℃時,水結成冰,水結冰時幾乎全部分子締合在一起成為一個巨大的締合分子,在冰中水分子的排布是每一個氧原子有四個氫原子為近鄰(兩個共價鍵,兩個氫鍵),這樣一種排布導致成一種敞開結構,也就是說冰的結構中有較大的空隙,所以冰的密度反比同溫度的水小.