水无处不在，对生命至关重要，但其物理特性却与大多数液体截然不同。密度、热容、粘度和压缩性等性质对温度和压力的响应方式，往往与科学家在典型物质中观察到的规律相反。

在大多数材料中，冷却会导致收缩和密度增加。按照这一模式，水在结冰时应达到最大密度。然而，冰却漂浮在水面上，液态水在4°C时密度最大。这就是为什么在湖泊和海洋中，较冷的水位于较暖的水下方。当水冷却到4°C以下时，它会再次开始膨胀。如果纯水冷却到0°C以下（缓慢结晶），这种膨胀会持续，甚至随着温度进一步下降而加速。其他性质，如压缩性和热容，也会随着温度降低而表现出越来越反常的行为。

用X射线激光捕捉水的隐藏状态

为了研究这些奇特行为，科学家利用韩国强激光产生的极快X射线脉冲，观察水在结冰前的过冷状态。斯德哥尔摩大学化学物理学教授安德斯·尼尔森（Anders Nilsson）表示：“特别之处在于，我们能够在冰结冰前以难以想象的速度进行X射线照射，观察液-液转变如何消失以及新的临界状态如何出现。几十年来，一直有各种猜测和理论来解释这些显著特性，其中一种理论是临界点的存在。现在我们发现这样的点确实存在。”

水的两种液态与关键转变

在低温高压下，水可以以两种具有不同分子键结构的液相存在。随着条件变化，这两种形式在临界点合并为一个相。接近该点时，系统变得高度不稳定，水在两种液态或它们的混合物之间迅速转变。这些波动会影响很大的温度和压力范围，甚至达到正常环境条件。科学家认为，正是这些持续的变化赋予了水不同寻常的特性。超过临界点，水进入超临界状态，而在日常条件下，水已处于这种状态。

水动力学中的“类黑洞”效应

研究人员还发现，当水接近临界点时，分子运动会急剧减慢。斯德哥尔摩大学化学物理学研究员罗宾·泰布尔斯基（Robin Tyburski）表示：“看起来，如果你进入临界点，几乎无法逃脱，就像黑洞一样。”

数十年的突破正在酝酿

斯德哥尔摩大学化学物理学博士后Aigerim Karina表示：“令人惊讶的是，非晶冰这种被广泛研究的水状态竟然成为了我们进入关键区域的入口。这对我的进一步研究是很大的启发，也提醒我在水等广泛研究的课题中取得发现的可能性。”博士生Iason Andronis说：“能够在如此低温条件下测量水而不结冰，真是梦想成真。许多人都梦想找到这个临界点，但在X射线激光器出现之前，还没有这种方法。”副教授Fivos Perakis补充道：“我觉得非常令人兴奋的是，水是生命存在的环境条件下唯一的超临界液体，我们也知道没有水就没有生命。这纯粹是巧合，还是我们未来需要获得一些重要的知识？”

解开一个世纪之久的水之谜

安德斯·尼尔森解释说：“自沃尔夫冈·伦琴（Wolfgang Röntgen）的早期工作以来，一个多世纪以来，关于水奇怪特性的起源一直存在激烈争论。研究水物理学的研究人员现在可以确定水在过冷状态下具有临界点的模型。下一阶段是找出这些发现对水在物理、化学、生物、地质和气候相关过程中的重要性的影响。这是未来几年的一大挑战。”

国际合作

这项研究涉及斯德哥尔摩大学、浦项科技大学和韩国PAL-XFEL、马克斯普朗克学会、德国约翰内斯古腾堡大学和加拿大圣弗朗西斯泽维尔大学之间的合作。贡献者包括Aigerim Karina、Robin Tyburski、Iason Andronis和Fivos Perakis，以及斯德哥尔摩大学化学物理小组的前成员。