水为什么在4摄氏度的时候密度最大?

发布网友发布时间：2024-10-22 17:35

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热心网友时间：1天前

300多年前，人类已发现水在4摄氏度时密度最大。这一现象虽源于水的分子结构，却至今未有科学解释。日本物质材料研究机构研究员三岛修和铃木芳治通过实验揭示，低温下非晶态冰间存在不连续转移。在低温下，低密度水和高密度水形态迥异。这一发现首次解释了水在4摄氏度密度最大现象，并在生态系统、水溶液系统等领域具有广泛研究与应用价值。研究成果发表在《自然》杂志上。

多年研究显示，水通常在零度结冰，但在零度以下可保持液体状态，称作过冷却水。过冷却水到达临界点以下时，分离为低密度水和高密度水。与此相对，存在低密度和高密度两种非晶态冰。低温下易结冰，且无非晶态冰间转移理论，导致水非晶态多样性存在争议。争议之一是密度不同的非晶态水是否连续转移。

日本科学家研究了高密度非晶态冰（HDA）向低密度非晶态冰（LDA）变化过程。发现HDA在零下158摄氏度以下整体膨胀，零下158摄氏度时迅速向LDA转移。过程中出现两种成分共存状态，随着时间推移，HDA和LDA分离。低温下两种水转移不连续。

科学家认为，这一研究成果是水领域问题的重大突破，将影响过冷却水等研究，推动同温层中云的研究及冰点下动植物细胞内过冷却水的研究。控制这两种水的临界点可自由控制水结晶，对人类控制地球环境和开发生物冷却保存技术有重大价值。