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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