解開水4°C「最大密度」謎團 交大團隊改寫理化課本

▲水的密度在4oC時,可達到最大值。(圖/達志影像/美聯社)

▲水的密度在4°C時,可達到最大值。(圖/達志影像/美聯社)

生活中心/綜合報導

國立交通大學研究團隊發現水在4°C「最大密度」異常現象的原因,是由於低溫下的「氫鍵網狀結構擴張」所造成,結構擴張則是因為奈米冰(Nano-ice)的產生所導致。另外,奈米冰於溫度低於10°C時開始生成,所以低於10°C的水嚴格來說不能視為純液體。這項研究結果預計將會改寫國中理化教科書。

根據《交通大學新聞網》的報導,水作為液體,仍有許多異常現象尚未被完全理解,其中最廣為人知的就是「最大密度」的現象。臺灣與日本的合作團隊(由國立交通大學濵口宏夫講座教授領軍)透過在低溫下形成奈米尺寸的微冰晶,為「最大密度」的現象,做出很好的解釋。

報導也指出,國中的理化課本都有提到,水的密度在4°C時,可達到最大值。這個與熱脹冷縮大不相同的異常現象也解釋,為什麼冬季湖面結冰,但魚兒仍能在冰面下方的液態湖水中生存的原因。理組的同學更可能進一步學習到,水的密度異常是由於低溫下的「氫鍵網狀結構擴張」所造成,所謂氫鍵指的是水分子之間微弱的作用力。冰的結構是一種立體的網狀結構,因為間隙多,所以造成冰的密度比水來得小。

交大研究團隊在研究中證明,這樣的網狀結構擴張是因為奈米冰(Nano-ice)的產生所導致,同時也抑制了原本該增加的液態水密度,最終表現出水在4°C時密度最大的異常現象,奈米冰於溫度低於10°C時開始生成,所以低於10°C的水嚴格來說不能視為純液體。

▲。(圖/翻攝自交通大學新聞網)

▲(右上) 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,紅色(解結構化氫鍵鍵結水)),藍色(結構化氫鍵鍵結水))與綠色(奈米冰);(左上)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;(下)推測三種水的概念圖,紅色:解結構化氫鍵水,藍色:結構化氫鍵水和綠色:奈米冰。(圖/翻攝自交通大學新聞網)

研究團隊更利用拉曼光譜法,測定了-23 到45°C範圍內的140個水樣品,並且得到各個溫度區間的分析結果。結果顯示,在這範圍中有三種形式的水出現,分別是「氫鍵結構鬆散的水」、「氫鍵結構規律排列的水」以及「氫鍵高度規律排列而形成類似冰型態的水」,「類似冰型態的水」實際上就是「奈米冰」。

研究團隊經過理論模擬計算後,得到這三種型態水在不同溫度下所占有的比例,估算出來的最大密度落在4°C左右。所以水在4°C時具有最大密度之謎已經得到解答,預計也將改寫教科書。

關鍵字:,4°C,最大密度,奈米冰,理化,交通大學,濵口宏夫

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