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超临界水是一种神秘的状态，水的行为既像液体又像气体，长期困扰着科学家们。德国研究人员利用太赫兹光谱和强大的模拟技术，最终推翻了一个关键理论——水分子在这种状态下会形成氢键簇。该团队构建了一个专门的高压室，发现超临界水的行为与气体非常相似，缺乏液态水中的持久氢键。模拟证实，分子之间的相互作用是短暂而无序的。
德国波鸿鲁尔大学的研究人员对超临界水的结构有了新的认识，超临界水是一种独特的状态，在这种状态下，水的行为既像液体又像气体。这种状态仅在极端条件下才会出现：温度高于 374°C，压力高于 221 巴。
一个长期存在的理论认为，在这种状态下，水分子会形成由氢键结合在一起的簇。然而，波鸿团队现在利用太赫兹光谱和分子动力学模拟相结合的方法推翻了这一想法。他们的研究结果于 2025 年 3 月 14 日发表在《科学进展》杂志上。
超临界水在自然界中很常见，比如深海热液喷口（又称黑烟囱）周围，那里存在着极高的压力和热量。了解其分子结构可以帮助科学家更好地解释这些环境中发生的化学反应。
多米尼克·马克思 (Dominik Marx) 表示：“了解超临界水的结构可以帮助我们阐明黑烟囱附近的化学过程。”他指的是他的研究小组最近发表的一篇关于这个主题的论文。“由于其独特的性质，超临界水作为化学反应的‘绿色’溶剂也备受关注；这是因为它既环保，又具有很强的反应性。”
为了提高超临界水的可用性，有必要更详细地了解其内部过程。Martina Havenith 的团队为此使用了太赫兹光谱。虽然可以使用其他光谱方法来研究分子内的氢键，但太赫兹光谱可以灵敏地探测分子之间的氢键 - 因此可以检测到超临界水中的簇的形成（如果有的话）。
实现高压突破
“在实验中，将这种方法应用于超临界水是一个巨大的挑战，”Martina Havenith 解释道。“我们需要的太赫兹光谱高压池直径是其他任何光谱范围的十倍，因为我们的工作波长更长。”在撰写博士论文期间，Katja Mauelshagen 花费了大量时间设计和建造一个新的、合适的池，并对其进行优化，使其尽管尺寸较小，但可以承受极端的压力和温度。
波鸿研究团队成员：Martina Havenith、Philipp Schienbein 和 Gerhard Schwaab（从左至右）。图片来源：RUB、Marquard
重写分子图景
最终，实验人员成功记录了即将进入超临界状态的水以及超临界状态本身的数据。虽然液态和气态水的太赫兹光谱差别很大，但超临界水和气态水的光谱看起来几乎相同。这证明水分子在超临界状态下形成的氢键与气态一样少。“这意味着超临界水中没有分子团簇，”Gerhard Schwaab 总结道。
多米尼克·马克思团队的一名成员菲利普·希恩拜因在其博士论文中使用复杂的从头分子动力学模拟计算了超临界水中的过程，他得出了同样的结论。就像在实验中一样，首先必须克服几个障碍，例如在虚拟实验室中确定水的临界点的精确位置。
短暂键定义超临界水
从头算模拟最终表明，超临界状态下的两个水分子在分离之前只能保持短暂的接近。与氢键不同，氢原子和氧原子之间的键没有优先取向，这是氢键的一个关键特性。氢氧键的方向会永久旋转。
Philipp Schienbein 强调说：“这种状态下的键寿命极短：比液态水中的氢键短 100 倍。”模拟结果与实验数据完美匹配，现在提供了超临界状态下水的结构动力学的详细分子图。
编译自/ScitechDaily
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