mile米乐中国官方网站 在水/冰界面发现了第二种“未知水”！

水很常见，但它是一种奇怪的液体，表现出独特的物理特性并控制着许多自然现象。

东北大学多学科材料科学研究所新家弘正助理教授、北海道大学低温科学研究所木村由纪副教授、东京大学研究生院文理学院/附属先端科学研究生院浜哲也副教授、产业技术综合研究所环境创造研究部研究组组长滩弘树领导的研究小组成立两年前与水一起。高压冰^注1我们发现了一种未知的高密度水，它不会与在与8334_8379|的界面处形成的普通水（高密度水）混合。^※这次我们就来说说大家所熟知的冰（冰I_h^注1)和水的界面处形成了一种未知的低密度水（低密度水）。如果说高密度水是第一类，那么我们这次发现的低密度水就是第二类未知水。此外，我们在世界上首次成功确定了表示这两种未知类型水的流动难易程度的物理性质值（以表面张力和粘度之比表示的特征速度）。

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，该假设的提出是为了解释多年来一直是一个大谜团的水独特的物理性质。该结果由美国化学会发表物理化学快报杂志将于 5 月 11 日星期三在杂志上在线发布。

〇研究背景

水是地球上普遍存在且为我们所熟悉的液体。另一方面，与其他液体相比，它具有独特的特性。一个例子是，虽然液体的密度通常随温度单调线性变化，但水的密度在 4°C 时达到最大值（体积达到最小值）。水的物理特性支配着地球上的各种自然现象，因此了解这些独特特性的原因极其重要。

然而，水具有这些特性的原因仍不清楚。为了解释水独特的物理性质，人们提出了“水分离成两种结构不同的低密度液体（低密度液体，LDL）和高密度液体（HDL）”的假设。该假说通过解释水的物理性质向水分离发生的温度和压力条件的变化来解释水的独特性质。因此，如果我们能够在物理性质不同的温度和压力条件下直接观察到水的分离，这将证明这一假设。然而，这种分离被认为是在低温高压的条件下发生的，水会瞬间冻结，使得直接观察变得困难。结果，对水独特物理性质的原因的阐明一直处于停滞状态。在此背景下，今天对水结构的研究变得越来越重要。

在我们研究小组之前的研究中，砧式高压发生器^注2，我们通过原位光学显微镜观察发现，在水和比水密度更大的高压冰之间的界面处形成了与普通水不混合的高密度水。相比之下，这个研究小组研究了我们通常看到的冰（六角对称冰I，其密度比水低）。_h)和水之间的界面进行原位光学显微镜观察。

○结果内容

研究组是冰I，也就是普通冰_h被选为研究课题。北海道大学低温科学研究所的低温室（-10℃）内设置了砧式高压发生器和观测设备。微分干涉显微镜^注3安装后，水暴露在超过 107 MPa（1056 个大气压）的低温和高压条件下。通过降低水的压力，冰 I_h的晶体并用显微镜现场观察其生长和熔化过程。由于压力降低而结冰 I_h之间的界面和水，我们发现它与周围的水有清晰的界面，并且它形成液膜和微小的液滴，与周围的水分离（图1）。我们还发现，在压力下融化的冰的界面处形成了与周围水分离的微滴（图2）。水滴的润湿角表明这些未知的水与周围的水相比具有较低的密度，使得水/冰 I_h的界面上可以形成以前未知的水。水/冰 I_h的界面处。这表明在水/冰界面处至少存在两种​​类型的水（低密度和高密度），类似于存在两种不同于普通水的水（低密度脂蛋白和高密度脂蛋白）的假设。

此外，通过分析这次发现的低密度水的运动，我们能够测量到特征速度（表面张力与粘度的比），这是液体流动容易程度的指标，约为20 m/s。该值是空气和冰 I_h伪液体层^{注释 4}显示的值与2 m/s到02 m/s不同，原来我们这次发现的低密度、未知的水是一种不同于正常水的液体或者是伪液体层。此外，通过分析高压冰与水界面处形成的高密度水的运动，我们确定其特征速度约为100 m/s。 LDL的粘度可以比HDL大一个数量级分子动力学计算^{注释 5}表示此次测定的低密度水和高密度水的特征速度之间的关系与LDL和HDL的粘度之间的关系类似。未来，通过阐明未知的低密度和高密度水与LDL和HDL之间的关系，我们将能够接近水独特物理性质的奥秘。

○意义/挑战/前景

水的物理特性控制着地球上的各种自然现象。此外，在太空中，它还直接参与冰冷天体的地质现象，小行星内部水、矿物质和有机物之间的相互作用，以及冰表面有机化合物的形成。因此，弄清水的性质极为重要。这项研究的结果揭示了水的另一个隐藏特性。通过这项研究发现水/冰界面上“未知水”的多样性，不仅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，而且有助于阐明迄今为止我们无论在哪个领域都无法理解的与水相关的现象。

该成果得到了东北大学多维材料科学研究所助理教授 Hiromasa Shinke、北海道大学低温科学研究所 Yuki Kimura 副教授、Akira Kouchi 教授、项目助理教授 Tomoya Yamazaki 以及东京大学艺术与科学研究生院的支持。这是与综合科学部/附属尖端科学研究机构的浜哲也副教授和米乐m6官方网站环境创造研究部研究组组长滩博树的共同研究项目。这项研究还得到了北海道大学低温科学研究所联合使用/联合研究项目第18K001号和日本科学协会笹川科学研究资助项目第2021-2001号的支持。

标题：冰水界面的低密度和高密度未知水域
作者：Hiromasa Niinomi、Akira Kouch、Tetsuya Hama、Hiroki Nada、Tomoya Yamazaki 和 Yuki Kimura
已出版的杂志：物理化学快报杂志
DOI：101021/acsjpclett2c00660
*相关网址（2020 年 8 月 7 日的新闻稿）：
https://wwwtohokuacjp/japanese/2020/08/press20200807-01-waterhtml

注1高压冰和冰I_h

高压冰是密度比水大并在水受压时结晶的冰的总称。它的晶体结构与我们平常看到的冰不同。我们平常看到的冰就是冰_h，其基本结构是水分子的六角柱。[返回来源]

注2砧式高压发生器

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。将样品放入带有称为垫片的小孔的金属板中，垫片孔中的样品夹在一对砧之间并受压以产生高压状态。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]

注3微分干涉显微镜

一种可以强调并清晰地观察样品表面微小差异的显微镜。通过将电场振荡方向彼此垂直的两束线偏振光在稍微偏移的位置处照射到具有微小步长的样品上，两束线偏振光分别获得高步长表面上的信息和低步长表面上的信息，并且通过组合这些线偏振光来创建图像。[返回来源]

注4伪液体层

空气/冰 I_h在界面融化之前形成的覆盖冰表面的超薄水膜。这层水膜比普通水更冰。_h的水。这种水膜被称为“伪液体层”，以区别于正常的水。[返回来源]

注释5分子动力学计算

一种使用计算机通过求解构成固体和液体的单个原子和分子的牛顿运动方程来分析这些原子和分子运动的方法。可以在分子水平上预测固体和液体的结构、动力学性质和热力学性质，并分析分子水平上的机制，例如水凝固（结晶）成冰。[返回来源]