超临界水是一种神秘的状态，水的行为既像液体又像气体，长期以来一直困扰着科学家。
德国的研究人员利用太赫兹光谱学和强大的模拟最终揭穿了一个关键理论 —— 水分子在这种状态下形成氢键簇。通过建立一个专门的高压电池，研究小组发现超临界水的行为很像气体，缺乏液态水中持久的氢键。模拟证实了分子间的相互作用是短暂而无序的。
揭示超临界水
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。这种状态只发生在极端条件下：温度高于374°C，压力高于221 bar。
一个长期存在的理论认为，在这种状态下，水分子通过氢键形成团簇。然而，波鸿团队现在已经用太赫兹光谱学和分子动力学模拟相结合的方法推翻了这个想法。他们的研究结果发表在2025年3月14日的《科学进展》杂志上。
为什么超临界水很重要
超临界水可以在自然界中找到，比如在被称为黑烟囱的深海热液喷口周围，那里存在着极高的压力和热量。了解它的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。
“了解超临界水的结构可以帮助我们揭示黑烟囱附近的化学过程，”多米尼克·马克思（Dominik Marx）说，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，超临界水也成为化学反应的“绿色”溶剂；这是因为它既环保，同时又反应性强。”
为了提高超临界水的可用性，有必要更详细地了解其中的过程。玛蒂娜·哈维尼斯（Martina Havenith）的团队为此使用了太赫兹光谱学。虽然其他光谱方法可以用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，因此可以探测超临界水中簇的形成，如果有的话。
设计高压突破
“在实验试验中，将这种方法应用于超临界水是一个巨大的挑战，”哈维尼斯解释说。“在太赫兹光谱中，我们需要比其他任何光谱范围的高压电池直径大10倍，因为我们需要更长的波长。”在撰写博士论文时，Katja Mauelshagen花了无数个小时设计和构建了一个新的、合适的电池，并对其进行了优化，使其能够承受极端的压力和温度，尽管它的尺寸很大。
改写分子图谱
最终，实验人员成功地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。液态水和气态水的太赫兹光谱差别很大，而超临界水和气态水的太赫兹光谱看起来几乎是一样的。这证明水分子在超临界状态下形成的氢键和在气体状态下形成的氢键一样少。“这意味着超临界水中没有分子簇。”
多米尼克·马克思团队的成员Philipp Schienbein在他的博士论文中使用复杂从头算分子动力学模拟计算了超临界水中的过程，得出了同样的结论。就像在实验中一样，首先要克服几个障碍，比如在虚拟实验室中确定水的临界点的精确位置。
超临界水的短暂化学键
从头计算模拟最终表明，两个处于超临界状态的水分子在分离前只保持了很短的时间。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。氢氧键的方向永久地旋转。
Philipp Schienbein强调说：“在这种状态下存在的键非常短暂：比液态水中的氢键短100倍。”模拟结果与实验数据完全吻合，现在提供了超临界状态下水结构动力学的详细分子图。
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