日本理化學(xué)研究所和瑞典斯德哥爾摩大學(xué)一個聯(lián)合研究小組利用日本的X射線自由電子激光設(shè)施的激光器SACLA，成功捕捉到過冷狀態(tài)水（H2O）的結(jié)構(gòu)，驗證了水存在液—液相變的臨界點，并能在兩個液相間轉(zhuǎn)變。
生命離不開水，但人們對水的理解尚不完善。例如水在溫度降低時的密度、熱容量、等溫壓縮率等熱力學(xué)的特征變化與其他液體呈相反狀態(tài)，由此引發(fā)了對水的熱力學(xué)特征的長期爭論，出現(xiàn)了各種假說。其中一種假說認為，液態(tài)水具有密度不同的兩個相（物態(tài)），并在兩個相之間搖擺。但是水在溫度下降到接近0℃時（過冷狀態(tài)），狀態(tài)不穩(wěn)，會很快結(jié)冰，因此迄今為止驗證該假說極為困難。
研究小組利用SACLA對過冷狀態(tài)的水滴進行照射，分析了水的結(jié)構(gòu)。SACLA的脈沖寬度為非常短的飛秒級，可以在冷卻的水結(jié)冰之前對各個時段的變化進行測量。研究小組對水在各種溫度下的數(shù)據(jù)進行分析，通過分析被水滴散射的X射線得到了水的結(jié)構(gòu)，并調(diào)查水冷卻時等溫壓縮率的上升。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等溫壓縮率在－44℃時為最大，在此溫度下發(fā)生反轉(zhuǎn)。同時發(fā)現(xiàn)把水中的氫原子（H）置換成重氫原子（D）的重水（D2O）時等溫壓縮率溫度為－40℃。這些發(fā)現(xiàn)顯示水存在“液—液相變的臨界點”，這種相轉(zhuǎn)移影響原子核的量子效應(yīng)。
該研究成果闡釋了水的固有熱力學(xué)形態(tài)的起源，相關(guān)論文已發(fā)表在《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版。
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