低温液态水的性质新探

• 作 者: 蔡凡一
• 出 处: 中国科学技术大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 静电喷雾 静电纺丝 一维非受限水 微结构 玻璃化转变

水,无处不在,其重要性众所周知。而水的结构和异常行为的更是吸引了人们的广泛的关注。低温液态水的最重要的特性,很可能掩藏在结晶区域(no man’s land)中,如玻璃化转变和液-液相变。如何突破水的结晶屏障一直是困扰科学家们的棘手问题。最新研究显示在一维纳米空间中的受限水可有效避免在低温下结晶,然而,相关结果的可靠性和代表性受到了很多质疑。本文以突破水的结晶屏障,探究液态水的本源性质为目标,从样品制备工艺着手,通过自主设计搭建的静电喷雾装置,成功获得了一维非受限低温液态水；同时,以所得一维非受限低温液态水作为研究对象,系统的研究了其在低温区间包括结晶区域内的奇异性行为。论文主要内容包括：我们自主搭建了静电喷雾和低温猝冷设备平台,利用该平台成功的将纯水制备成具有纳米尺寸、纤维状、非受限的液态水。同时对其形成条件和控制参数的进行了多方面的探索,并提出了可能的形成机理。我们认为一维非受限液态水是由电喷雾过程中下落液滴所挥发出的蒸气在低温和电场的相互作用下凝聚而成,具体形成机理包括液滴挥发,蒸气过饱和,液滴凝聚,低温猝冷四个物理过程。通过这一形成机制,我们试制了新型的纯化水装置。该制备工艺的开发将大大拓展静电纺丝法的应用领域。我们以所得一维非受限液态水作为水的低温热力学性质的新的研究对象,通过现代光谱学和热力学测试手段,系统的表征了其在低温区间的性质。实验结果表明,该研究对象在结晶区域内免于结晶的同时,又能够不损失体相水的基本属性,这一发现对掌握目前具有广泛争议的水的低温热力学性质具有较大的科学意义,对阐明受限水和表面水的基本性质将提供重要参考。