奈米冰解開水的最大密度之謎

作者|東京大學黃郁珊博士/東京大學陳藹然博士

地球在宇宙中有藍色行星的美稱,因為地球表面被大範圍的水覆蓋,同時水也是地球生命的重要組成。儘管多年以來人類對水進行大量且深入的研究,液體水仍有許多異常現象尚未被完全理解,例如大家都學過:水在4oC擁有最大密度,但是卻一直無法好好解釋這個眾所週知的現象。由國立交通大學濵口宏夫講座教授領軍,臺灣與日本的合作團隊,觀察到水在低溫下形成奈米尺寸的微冰晶,可能是造成水的最大密度異常現象原因。

水常見的三態是:水蒸氣、水和冰。冬季湖面結冰,冰浮在水面上,這是因為冰密度比水小。觀察冰的結構會發現,水分子彼此之間以氫鍵(示意圖中的虛線)組裝成一個龐大的立體網狀結構,這個網狀結構裡含有很多的空隙,造成冰的密度比水來得小。研究團隊利用拉曼光譜法測定了-23 ~ 45oC的範圍內140個水樣品,詳細分析各個溫度區間的光譜後發現:樣品中有A、B、C三種型態的水,其中A是氫鍵結構鬆散的水(Form A),B是氫鍵結構規律排列的水(Form B),以及氫鍵高度規律排列而形成「類似冰」型態的水C(Form C)。將「類似冰」的型態水C之光譜分析結果與純冰的結果比對非常類似,故推測這「類似冰」的型態水C實際上可視為奈米尺度的微小冰晶「奈米冰(Nano-ice)」。(圖一)

奈米冰於溫度低於10oC時開始生成,顯示奈米冰與型態A(氫鍵結構鬆散的水)、型態B(氫鍵結構規律排列的水)的水共存於冷水和過冷卻水中。由於「奈米冰(Nano-ice)」存在(或可稱為懸浮)於水中,抑制了原本該增加的液態水密度,因此最終表現出水於4oC時密度最大的異常行為。也因為奈米冰的存在,嚴格說來低於10oC的水不應該視為純液體。

此外研究團隊計算三種型態水在不同溫度下所占有的比例,水的密度和溫度的關係圖(圖二),得到估算出水最大密度落在4.7oC,與實驗觀察結果完全相符。水於4oC時具有最大密度之謎終於被解開了,下次自然科教師在課堂上就可以很容易回答這個問題。

圖一、-23 ~ 45oC的範圍內140個水樣品內三種形態的水,(紅色)型態A:氫鍵結構鬆散的水,(藍色)型態B:氫鍵結構規律排列的水和(綠色)型態C:奈米冰。

 

圖二、(a) 由模擬估算出來的水密度(空心圓)與觀察到的(黑色實線)水密度的溫度依賴性。在低溫下,”奈米冰”的形成會抑制水的密度隨著冷卻增加,而達到最大值。
(b) 水的溫度相關拉曼光譜的高光譜分析揭示有三種不同形式的水存在,氫鍵結構鬆散的水(紅色)、氫鍵結構規律排列的水(藍色) 與奈米冰(綠色)。

 

參考資料:

  1. “Formation of “Nano-Ice” and Density Maximum Anomaly of Water” Bull. Chem. Soc. Jpn. 2018, 91, 991–997
  2. “解開水之謎交大團隊新發現  將改寫理化課本” http://www.nctu.edu.tw/component/k2/item/3074-2018-06-29-05-52-41

 

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