米乐m6官方网站 在水/高压冰界面发现“新水”！

水是一种常见但奇怪的液体，它表现出独特的物理特性并控制着许多自然现象。东北大学材料研究所助理教授新家博正、宇田聪教授、北海道大学低温科学研究所副教授木村由纪、产业技术综合研究所环境创造研究部高级研究员滩田弘树、东京大学研究生院艺术科学研究生院尖端科学研究所滨哲也副教授。核心研究小组在-20℃的低温室内对水施加高压，观察了冰III的结晶过程，发现在生长和融化的冰与水的界面处形成了一层与正常水不同的、未被发现的新水层。此外，润湿冰表面的新水的润湿性和表面图案表明，新水比普通水密度更大，不与普通水混合，并且具有不同的结构。这一结果为检验存在两种不同结构的水的假设打开了大门，这解释了多年来一直是一个大谜团的水独特的物理性质。

此结果由美国化学会发表物理化学快报杂志7 月 24 日星期五。

水是我们生活的地球上普遍存在的物质，它的特性控制着许多自然现象。因此，了解水的性质极其重要。冰的表面是水的结晶形式，被认为是发生超出我们想象的奇怪现象的阶段。例如，即使在低于 0°C（冰点）的温度下，水会结冰，冰的表面也会轻微融化，形成液体层。表面的液体层使我们能够堆雪人并打雪仗。此外，它被认为是极大影响地球气候的化学反应场所。由于冰表面涉及许多熟悉的现象，因此对水蒸气/冰界面进行了大量研究，其重要性也得到了越来越广泛的认识。另一方面，水-冰界面的研究进展甚微，尽管它与水蒸气/冰界面一样重要。因此，本课题组砧式高压发生器^※1向水施加压力，我们在水中产生了高压冰，并通过使用光学显微镜原位观察其表面，我们试图研究水/高压冰界面处发生的动态现象。

课题组在-20℃、248MPa的低温高压环境下生成该产品。冰三^※2的高压冰。北海道大学低温科学研究所的低温室（-20℃）内设有砧式高压发生器和观察设备。偏光显微镜^※3安装好后，用显微镜现场观察了水的加压和减压引起的Ice III的生长和融化过程（图1）。我们发现，在压力下生长的冰III与水之间的界面处形成了与周围水的流动性不同的液膜，并且在减压下融化的冰的界面处形成了与周围水不同的微小液滴。这表明水/冰 III 界面处可能存在以前未知的新水。

新水膜到处都有洞，并且观察到它随着冰的生长而摇摆。另一方面，融化过程中出现的新水滴出现后，在冰面周围活跃地移动，表现出明显的流动性。冰表面水滴的润湿角表明淡水比周围的水密度更大。此外，米乐m6官方网站利用分子动力学方法进行的计算机模拟显示，这种水的结构与冰III类似。

此外，人们还发现，当冰在压力下生长时，新水也以均匀的液膜形式存在，而当压力停止时，均匀覆盖冰表面的液膜变得不均匀，呈现出迷宫般的形态（图2）。这种迷宫状的图案称为双连续图案，是两种原本不混合的不同流体由于某种条件而分离成两种流体时常见的图案。这表明淡水和普通水是不混溶的，并且表明这些水具有彼此不同的结构。

传统上，流行的理论是，在水和冰之间的界面处，水的结构不断从冰变为水，厚度为纳米量级。在这项研究中，我们推翻了这一传统观点，揭示了水/冰界面的新图景，其中冰表面存在微米级的高密度液体层，与正常水形成清晰的界面。

课题组还在室温和高压条件（25℃、954MPa）下进行了结晶冰六^※4新的高密度水在10546_10572|之间的界面处产生和水激光干涉仪^※5的特殊显微镜揭示的这表明在水/高压冰界面处普遍存在稠密水的形成。

结构与我们所知的水不同的水的存在已经被讨论了很长时间，以解释水的独特性质。然而，尚未对水的液-液相分离进行直接观察，这为水分离成两种不同结构的水提供了确凿的证据。这是理论上预测的水液-液临界点^※6处于实验无法达到的深度过冷状态。相比之下，本研究成功地在实验条件下直接观察到正常水与不同结构的新水在水/高压冰界面处的分离，为“不同结构的水”实验研究的封闭情况开辟了一条新途径。

水蒸气、液态水和冰之间的水形态变化极大地影响着我们赖以生存的地球的自然现象。因此，弄清水的性质极为重要。这项研究的结果新揭示了水的一个隐藏特性。这项研究中“新水”的发现，预计不仅有助于阐明我们迄今尚未了解的与水有关的重要自然现象，而且有助于阐明水这种仍然笼罩在神秘之中的奇怪液体的物理性质。此外，冰从水中生长就是从熔体中生长晶体，这项研究的结果有望有助于阐明从熔体形成功能材料的基本过程。此外，由于太阳系天体内部存在的冰是在高压条件下形成的，这一发现有望有助于阐明天体的形成过程。

杂志名称：物理化学快报杂志
英文标题：水-冰界面处的高密度液态水
所有作者：H Niinomi、T Yamazaki、H Nada、T Hama、A Kouchi、J T Okada、J Nozawa、S Uda 和 Y Kimura
DOI：https://doiorg/101021/acsjpclett0c01907

这一成果得到了东北大学材料研究所助理教授 Hiromasa Shinke、Uda Satoshi 教授、Junpei Okada 副教授、野泽 Jun 助理教授、北海道大学低温科学研究所 Yuki Kimura 副教授以及日本学术振兴会特别会员 Tomoya Yamazaki 的支持。这是米乐m6官方网站环境创造研究部的高内晃教授、滩田宏树首席研究员、东京大学艺术科学研究生院先端科学技术研究所浜哲也副教授的共同研究项目。这项研究得到了北海道大学低温科学研究所联合使用/研究项目No 18K001的支持。

※1 砧式高压发生器

这是一种通过将两个硬质材料尖头（砧座）相互挤压而在其顶部产生高压的装置。使用钻石、蓝宝石等作为硬质材料。实际上，将样品引入带有称为垫圈的小孔的金属板内，通过将样品夹在两对砧之间的垫圈孔中并按压来产生高压状态。在本研究中，蓝宝石、铜和水分别用于砧座、垫圈和样品。[返回来源]

※2 冰III

它是一种冰多晶型物。多晶型物是化学成分相同但晶体结构不同的物质，如金刚石和石墨的关系。我们平常看到的冰就是冰_h，其基本结构是六方棱柱晶格。另一方面，我们这次观测到的低温高压环境（-20℃、248MPa）下形成的冰具有立方结构，被称为Ice III，以区别于其他具有不同晶体结构的多晶型物。[返回来源]

※3偏光显微镜

通过使用线偏振光代替普通光进行照明，该显微镜可以将普通显微镜无法观察到的观察样品的偏振和双折射特性可视化。[返回来源]

※4 冰VI

它是一种冰晶多晶型体，其基本结构是底为正方形的长方体，是在我们这次观察到的室温高压环境（25℃，954MPa）下形成的。[返回来源]

※5 激光干涉仪

这是一种测量仪器，允许穿过两个不同光路的激光束相互干涉，并通过改变发生的干涉条纹来检查两个光路中介质之间的光学差异。通过将测量样品放置在两个光束中的一个中，而将另一个留为空白，可以获得反映测量样品的光学特性的干涉条纹。它还可以灵敏地检测普通光学显微镜无法检测到的微小折射率差异。[返回来源]

※6液-液临界点

这是温度/压力相图上单组分液体系统中两种液体之间的液-液相变线断裂的点。表现出液-液相分离的两种类型的液体在液-液临界点以下明显区分为均质相。另一方面，当超过液-液临界点时，两种液体不能清楚地区分为相，并且两者的结构在空间和时间上发生波动。水物理性质的异常现象是通过假设液-液临界点来解释的，在该临界点，水在低温、高压环境下分离成高密度液体和低密度液体。[返回来源]