科学家在深海发现“第四种水”:原来水并非只有固态、液态和气态

上学的时候课本告诉我们,水有三种状态:固态的冰、液态的水、气态的水蒸气。这个常识学了十几年,大家都觉得天经地义。
可最近深海科考的发现,直接把这个认知给刷新了。水居然还有第四种状态,而且在自然界就有,藏在几千米深的海底。


今天就聊聊这个第四种水,到底是什么东西,有什么神奇的特性。先说发现过程。
2008年,德国不来梅雅各布大学的科考团队,在大西洋中脊的深海热液喷口做考察。这种喷口俗称海底黑烟囱,就是海底地壳裂开,海水渗下去被地下岩浆加热,再喷出来。
喷出来的水温度特别高,团队测了一下,最高居然有四百六十四摄氏度,比烤箱还热。
按说水一百度就沸腾了,怎么会有四百多度的水还没变成蒸汽?因为深海压力大啊,两千多米深的海底,压力是大气压的两百多倍,水的沸点被压得特别高。
但最神奇的还不是温度高,是这种水的状态。它既不是液体也不是气体,介于两者之间。
液态和气态的界限消失了,密度完全一样,分不清哪部分是水哪部分是蒸汽。这就是超临界状态,也叫第四种水。以前实验室里也能造出来,但自然界发现还是头一回。
带队的Andrea Koschinsky教授说,这就是水,但又不是普通的水,是全新的状态。研究结果后来发在《Geology》期刊上,算是实锤了自然界存在天然超临界水。
什么是超临界状态?大白话讲就是,温度和压力都高到一定程度,液体和气体就没区别了。


每种物质都有个临界点,水的临界点是三百七十四摄氏度、二百二十一个大气压。
学过物理的可能知道三相图,就是把物质的状态按温度压力画成一张图。固液气三个状态各占一块,三条分界线交汇的点叫三相点,就是三种状态能共存的温度压力。
而液态和气态的分界线不是无限延伸的,到了临界点就到头了,再往上就是超临界区。
所以严格来说,物质不是只有三态,超临界也算一种,只是日常条件下见不到。超过这个点,再怎么升温加压也不会沸腾了,液体气体融为一体,变成一种超临界流体。
它既有液体的密度,能溶解东西,又有气体的特性,扩散快、渗透性强。相当于同时具备了液态和气态的优点,性质特别特殊,用处也特别大。
超临界水最牛的特性是溶解能力超强,而且什么都能溶。普通水只能溶解极性物质,油啊塑料啊根本溶不了。超临界水不一样,是非极性的。
有机物、油污、塑料,甚至有些金属,扔进去都能溶解,堪称万能溶剂。更神奇的是,只要通上氧气,有机物在里面直接就能燃烧,水火真的能相容。
听起来像魔法,但这是真的,超临界水氧化技术就是利用这个原理。这个特性特别适合处理垃圾。尤其是难降解的有机废物、医疗垃圾、废塑料。


扔进超临界水里,加氧气,直接氧化分解,最后剩下二氧化碳、水和无机盐。没有二噁英,没有废气废渣,特别干净,比焚烧环保多了。
现在已经有商用的超临界水氧化设备了,专门处理难处理的危险废物。就是成本有点高,要维持高温高压,设备要求也高,还没大规模普及。
除了处理垃圾,超临界水还有很多别的用处。比如超临界水发电,效率比普通蒸汽发电高。
还有化工萃取,用超临界水提取植物里的有效成分,比有机溶剂安全。还有个有意思的方向,就是超临界水制氢。用超临界水气化生物质,直接产出氢气。
效率比普通方法高,而且干净,没有污染,属于绿色制氢技术。现在氢能这么火,这个技术要是突破了,意义还挺大的。
当然目前还在实验室阶段,离商业化还有距离,但前景很好。材料科学也用得上,用超临界水合成纳米材料,颗粒特别均匀,质量好。
可以说这东西浑身是宝,就是条件苛刻了点,得高温高压,不好伺候。超临界技术其实发展挺早的,上世纪就有了,只是以前主要用在化工领域。
超临界萃取这个概念,六十年代就提出来了,德国最早用它来脱咖啡因。后来应用越来越广,食品、医药、环保、能源,好多行业都在用。


就是设备贵,要耐高压高温,所以中小企业用不起,都是大厂在用。但随着技术进步,成本在降,以后应用会越来越广。
说回深海的天然超临界水。海底黑烟囱周围,其实是个很神奇的生态系统。没有阳光,全靠化学能供养,管虫、蛤、虾,一大堆生物围着喷口生活
超临界水从地下带上来大量矿物质和能量,是整个生态系统的能量来源。甚至有科学家认为,地球上最早的生命,可能就是在这种热液喷口诞生的。
因为这里有能量、有矿物质、有水,条件特别适合生命起源。热液喷口的生态系统特别神奇,完全不依赖阳光,靠的是化能合成。


海底黑烟囱也是上世纪七十年代才发现的,之前谁也没想到深海里还有这么热闹的生态系统。
这几十年深海科考新发现特别多,人类对海洋的了解其实还不如对月球多。说不定以后还能发现更多神奇的东西,毕竟海洋占了地球百分之七十呢。
细菌用硫化氢做能量,生产有机物,然后整个食物链都靠这些细菌养活。跟我们熟悉的光合作用生态系统完全是两套逻辑,相当于地球上的另一个生命样板。
所以科学家找外星生命,也特别关注木卫二、土卫二这种有地下海洋的星球。
说不定别的星球上,生命就靠热液喷口活着,根本不需要太阳。而且不止水有超临界状态,二氧化碳也有,用得还更广泛。
超临界二氧化碳萃取,很多人应该听过, decaf咖啡就是这么做的。还有提取精油、中草药有效成分,都用超临界CO2,因为温度低,不会破坏活性物质。


其实很多物质都有超临界态,只是条件不一样,有的容易达到有的难。说起来水这东西真的挺特殊的,浑身都是反常识的性质。
比如结冰了体积反而变大,密度变小,所以冰能浮在水面上,不然冬天湖底全冻住鱼就活不了了。
比热容特别大,能存很多热量,所以海洋能调节气候,温差没陆地那么大。表面张力也大,能在毛细管里往上爬,植物吸水全靠这个。
这么多特殊性质凑在一起,才让水成了生命之源,不是随便什么液体都能替代的。只是水最常见,所以大家对第四种水的话题特别感兴趣。
总结一下。水不是只有固液气三态,还有第四种超临界状态。以前只在实验室有,2008年在深海热液喷口发现了天然存在的,刷新了认知。


这种水溶解能力超强,能处理垃圾、能发电、能做材料,用处特别大。大自然总能给我们惊喜,很多以为是常识的东西,说不定哪天就被颠覆了。
科学就是这样,不断打破我们的固有认知,发现更多世界的奥秘。保持好奇心,说不定哪天又发现第五种、第六种状态呢。未来还会有更多新发现等着我们,非常值得深入研究。
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