水可以在遠低于0攝氏度的溫度下保持液態(tài)，這種過冷階段是目前科學研究的焦點。巴西圣保羅州立大學(Unesp)開發(fā)的理論模型表明，在過冷水中，存在一個臨界點，在該臨界點，熱膨脹和壓縮性等性質表現出異常行為。由馬里亞諾·德·索薩(Mariano De Souza)教授領導的這項研究得到了FAPESP的支持，索薩也是里約克拉洛大學地球科學和精確科學研究所物理系的教授，索薩和合作者在《科學報告》期刊上發(fā)表了這項研究。

研究表明，這第二個臨界點類似于水中約374攝氏度和約22兆帕斯卡壓力下的液氣轉變。液相和氣相在大約374攝氏度的水中共存，這種奇特行為的起源可以觀察到，例如在高壓鍋中。在這一點上，水的熱力學性質開始表現出異常行為，因此，這一點被認為是“關鍵的”在過冷水的情況下，兩相也共存，但都是液體，一種密度較高，另一種密度較低。如果系統(tǒng)繼續(xù)適當地冷卻到0攝氏度以下，相圖上就會出現一個點，在那里兩相的穩(wěn)定性被打破，水開始結晶，這是根據新的研究從理論上確定的第二個臨界點。

研究表明，這第二個臨界點出現在180開爾文(約-93攝氏度)的范圍內，超過這個臨界點，可以存在液態(tài)水。它被稱為過冷水。最有趣的部分是，研究為水開發(fā)的理論模型可以應用于所有兩種能量尺度共存的系統(tǒng)。例如，它適用于鐵基超導體系統(tǒng)，其中也有向列相[分子取向為平行線，但不是以明確定義的平面排列]。這個理論模型起源于研究實驗室進行的幾個低溫熱膨脹實驗。這個通用模型是通過對Grüneisen參數的理論改進而獲得，以德國物理學家Eduard Grüneisen(1877-1949)命名。

簡單地說，這個參數描述了溫度和壓力變化對晶格的影響。研究對Grüneisen和偽Grüneisen參數的分析可以應用于研究任何具有兩個能級系統(tǒng)的臨界行為，根據感興趣的系統(tǒng)對關鍵參數進行適當調整就足夠了。用可壓縮單元類伊辛模型來估計過冷水中熱膨脹系數和比熱(Grüneisen參數Γs)之間的比率。在臨界壓力和溫度附近，Γs對序參數的熱波動非常敏感，序參數是壓力誘導臨界點的特征行為。Γs的這種增強表明，控制系統(tǒng)的是兩個能量尺度，即高密度液體和低密度液體共存，在過冷相的臨界點上變得難以區(qū)分。

博科園｜研究/來自：圣保羅研究基金會

參考期刊《科學報告》

DOI: 10.1038/s41598-019-48353-4

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