第一次结构观察液体水在温度下降到减去51华氏度

SLAC的LINAC相干光源处的X射线激光脉冲探测超冷却水滴（左侧）。X射线脉冲的速度和亮度允许研究人员在冻结之前瞬间研究水分子。（格雷格·斯图尔特/ SLAC）

一个新出版的研究详细介绍了液体水在温度下的第一个结构观察，减去51华氏度。

加利福尼亚州Menlo Park - 能源部的SLAC国家加速器实验室的科学家们已经使液体水的第一个结构观测在温度下降到减去51华氏度，在难以捉摸的“没有人的土地”，水的奇怪性质超放大。

通过SLAC的LINAC相干光源（LCLS）X射线激光器和6月18日在自然界中提出的研究，打开了一个新的窗口，用于探索这些异国情调的条件下的液态水，并承诺改善我们对其独特性质的理解与全球洋流，气候和生物学相关的更多自然温度和状态。

科学家们已经知道了一段时间，水可以在极冷的温度下保持液体，但他们从未能够在该区域检查其分子结构。

“水不仅是我们所知的生活必必需的，而且与大多数其他液体相比，它也具有非常奇怪的财产，”Suncat界面综合科学和斯坦福研究所的Suncat Centry副主任Anders Nilsson说，和研究的领导者。“现在，由于LCLS，我们终于能够进入这种冷区，该区域应该提供有关水的独特性质的新信息。”

水分子，例如左侧建模的水分子快速移动到金字塔结构，右，当过冷时。在SLAC的LINAC相干光源X射线激光器的一类实验中，科学家观察了这种加速的转化。（格雷格·斯图尔特/ SLAC）

不是你的典型液体

尽管分子结构简单，但水有很多奇怪的特质：它的固体形式比其液体形式更少，这就是冰浮子的原因;它可以吸收大量的热量，这是洋流携带的长距离，对气候产生深远的影响;其特殊的密度型材可以防止海洋和湖泊从冻结固体到底部，让鱼在冬天生存。

当净化水过冷时，这些特征被扩增。当水非常纯净时，没有什么可以播种冰晶的形成，它可以保持液体的温度远低于正常。大约减去42至减去172度的水的温度范围（见图）被称为没有人的土地。几十年来，科学家们试图更好地探索水分子在低于42度的温度下发生的事情，但他们必须在很大程度上依赖于理论和建模。

该图说明了“没有人的土地”的粗略边界，这是由于冰晶快速难以研究的温度区域。使用SLAC的LinaC相干光源，科学家们倾斜至减去51华氏度，并使这种神秘区域的液态水进行了第一结构测量，水的不寻常的性质被扩增。（Greg Stewart / Slac，Ultrafast Chemical Physics Group / Glasgow大学，苏格兰）

Femtosecond快门速度

现在，LCLS，具有X射线激光脉冲的刚度秒长，允许研究人员捕获快速消防快照，瞬间显示这种神秘区域的详细分子结构。该研究表明，水的分子结构随着进入这个领域而连续变换，并且通过进一步冷却，结构变化比预期的理论模型更大地加速。

对于该实验，研究人员在真空室中产生了稳定的微小水滴流。随着落朝向激光束的液滴，它们的一些液体迅速蒸发，过冷却剩余的液体。（同样的过程在汗水时会很酷。）通过调整液滴行进的距离，研究人员能够微调它们到达X射线激光束上达到的温度。

冷静

Nilsson的团队希望PE甚至甚至更冷的温度，将水状物变成玻璃状，非结晶固体。他们还希望确定超冷水是否达到其不寻常的特性峰值的临界点，并确定发生这种情况的温度。

“我们的梦想是尽可能地遵循这些动态，”尼尔森说。“最终我们对没有人的土地发生的事情的理解将帮助我们在根本上从根本上了解所有条件的水。”

SLAC的科学家斯坦福长期光源，斯坦福同步辐射光源和斯坦福脉冲研究所;斯德哥尔摩大学;德国斯尼的实验室; Helmholtz德国材料和能源中心;纽约的Stony Brook大学也有助于研究。该工作部分由美国能源部，SLAC实验室指导研发计划和瑞典研究委员会提供部分资助。

出版物：J. A. Sellberg等，“超快X射线探测水结构低于均匀冰核核心温度”，2014年6月19日，自然510,381-384; DOI：10.1038 / Nature13266

图片：Greg Stewart / Slac; Greg Stewart / Slac，Ultrafast Chemical Physics Group / Glasgow大学，苏格兰