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北京高压科学中心林传龙等:在水的“无人区”探索发现快速加(卸)载压缩可形成非晶相

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-12-03  浏览次数:2723
        水是最常见也是研究最多的液体,但是目前仍然有许多问题没有解决,以至于水是最难以理解的液体。水有超过70种已知的异常性质,比如固态水的密度比液态水小,这也是为什么我们看到冰漂浮在水上。

 

       为了解释水的异常行为,理论研究者提出了多种模型。其中“两种液态模型(two-liquid model)”在理论模拟中越来越受支持。该模型提出在过冷区域的一个临界点以下存在着高密度水和低密度水,该临界点称为水的第二临界点。然而,理论计算中预测的低密度水和高密度水一直没有得到实验证实,这是因为高密水和低密度水存在于被称为水的“无人区”(~150K<T<232K)的区域中。在此区域中,无序相(包括液态水和玻璃态非晶冰)都很快晶化,因此很难被实验观察到。

 

       由北京高压科学研究中心的林传龙和杨文革研究员负责的一项研究中,利用快速加(卸)载技术结合快速原位的时间分辨X射线衍射技术成功进入了水的无人区,在此区域发现了高密度非晶态水(PRL,121, 225703(2018)),此高密度非晶态在快速卸载条件下可以转化为多年理论预言但实验一直没有被证实的低密度液态水(PNAS 115, 2010-1015(2018))。

 

       在静态加载条件下,通常我们看到的冰(又称为冰的第一相,ice I)会直接转化成冰的第二相(ice II)。而在快速压缩的过程中,冰的第一相先转化成高密度玻璃态或液态水,在进一步压缩时转化成冰的其他晶体相。同样,在快速卸载的过程中,高密度玻璃态或液态水的晶化行为会受到抑制,其因快速卸载而来不及晶化,会直接转化为低密度水。

 

       “快速加(卸)载技术在我们合成高、低密度非晶态或液态水中起着至关重要的作用,而时间分辨快速探测技术是我们能够观察到这些中间相的眼睛”,林传龙研究员说到。

 

       另一方面,对水的系列研究中表明,快速加(卸)载压缩可以抑制材料晶体相的形成,从而形成非晶相。“就如金属熔体因快速降温而来不及晶化,从而形成玻璃态金属。我们相信快速加(卸)载技术也会帮助我们在其他物质中发现更多有趣的中间相,包括非晶材料”,杨文革研究员提到。


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