自然界中水,一般情況下有
固態、氣態、液態
三個狀態,然而,科學家們卻發現,水第四種形態——
超臨界狀態
。
臨界狀態是什麼狀態?這是一種什麼水?
這是科學家
2008年
在海底發現的第四種水,一種
可以溶解各種物質的水
。
科學家們認為,第四狀態的水或許會成為
未來最強的溶劑
。
超臨界水
當壓力和溫度達到一定條件時,
水的密度和水蒸氣的密度是一樣的
,此時的水不是液態也不是氣態,被稱為
超臨界狀態
。
此時的水,
液體和氣體便沒有區別
,它們融合在了一起。
科學家們發現,超臨界水具有很強的
氧化性
,如果將物質放入超臨界水中,再充入
氧氣
,物質很快就會
被氧化
。
這個物質還會被溶解在了超臨界水裡面,如果是
可燃物質
,那麼超
臨界水就可以燃燒
。
那麼水要在怎樣的環境下才能成為超臨界水呢?
當水的溫度達到了
374℃
,處於
22.1MPa
時
,就會進入超臨界狀態。
臨界狀態的水具有
無敵的溶解性
,任何物質都可以在裡面溶解,包括
金屬、岩石、甚至是生物
。
當物質進入超臨界水以後,成為了溶液,因此化學反應速度加快,是標準大氣壓、室溫下的
100倍。
有這麼強大的水,為什麼還不投入使用?這是因為,超臨界水目前還存在於科學家的電腦模擬裡面,想要
真正獲取超臨界水
,困難非常大。
前面說到過,任何物質都可以在超臨界水中
被溶解
,那麼取水的機械儀器一碰到超臨界水就會被破壞,無法提取樣本。
而且超臨界水一旦
離開臨界溫度和氣壓
,就會變成
普通的水
,失去了研究的意義。
2008年,德國的科學家科學家首次在
大西洋的海底熱泉口
發現超臨界水,但是的溫度達到了驚人的
464℃
,這是目前人類發現的
最高水溫
。
由於溫度實在太高,
普通的海底機器人
根本無法使用。
海底熱泉口對於生命來說無比重要,地球最初的生命就是誕生在這裡。
而在它的周圍發現了超臨界水,這不禁讓人猜測,生命的誕生會不會與第四種水有關。
超臨界水與生命
我們常說
水是生命之源
,而這個水指的是海水,液態海水,畢竟
生命起源於海洋
。
然而在發現超臨界水之後,有科學家認為生命起源的水,
或許不是普通的海水
。
前面說到過,超臨界水可以
溶解一切物質
,那麼在地球剛誕生沒多久,海洋剛形成的時候,海底熱泉口的超臨界水中,溶解了許多物質,它們或許就只是一些岩石中的
無機物
而已。
這些無機物如果只是在單純的海水裡,是不會反應的,然而在超臨界水裡,一切都變了,它們
形成了一種新的物質--有機物
。
這些有機物跟隨超臨界水離開了熱泉口,溫度下降之後,它們被析了出來,遊離在了液態海水裡,然後開始互相之間的合作。
從這一刻開始,地球進入了分子生命,然後一個叫
“
露卡
”
的生命出現,它具有當時天頂星級別的裝配——
細胞結構
。
於是從“露卡”開始,
一支全新的演化路線取代了分子生命
,成為了地球生命的主流,它們就是
細胞生命
。
由此,一棵
生命演化的大樹
開始萌芽。
“露卡”就是包括今天自然界
所有細胞結構生物的共同祖先
,而最初的那個分子生命形態,被科學家懷疑是
病毒的祖先
。
總之,如果這個假說成立,那麼就可以證明生命的確是地球
在機緣巧合之下創造出來的
,不是外星來客。
以此類推,如果別的星球也有這樣的條件,比如海洋,裡面有海底熱泉口提供高溫,達到
水的超臨界值
。
之後在超臨界水中,完成了
無機物到有機物的合成
。
然而這有個問題,很有可能別的星球的有機物合成和我們地球的不太一樣,比如它的超臨界水中含量最多的是矽,那麼最後演化出來的就會是
矽基生命
。
生命可以誕生在超臨界水裡面,那麼生命也會因超臨界水而更加精彩。
超臨界水如果將來被利用,那麼會有哪些方面的用途?
超臨界水的作用
超臨界水可以由一般的液態水在
高溫、高壓
之下進行,這個環境可以在太空中達到。
那麼我們就可以
在太空中製備超臨界水
,然後將我們
想要的物質溶解在超臨界水裡面
,帶回地球。
或者直接將溶於超臨界水的物質拿來使用,比如
土衛六
上被認為存在很多
甲烷
,它們以
固態
的形式存在。如果我們
將甲烷溶解在了超臨界水裡面
,那麼就可以直接在太空中使用。
超臨界水也是很好的
反應介質
,兩種很難反應或者很難反應的物質,在超臨界水中就可以快速完成。
如果我們能將其投入實際中,那麼很多我們無法克服的化學反應就能順利進行,或許真能製造出
矽基生命、硼基生命
等不可思議的模式。
而且臨界值的各種特性還會隨著溫度、壓強的變化而變化。
最先發現超臨界水的德國科學家們發現,在超臨界水
500℃
的時候充入氧氣,然後再放入
聚氯乙烯
,將其氧化。
之後再透過降溫的方式獲得
新的聚氯乙烯
,它可以
被降解99%
,並且不產生有害物質。這比現在垃圾處理直接焚燒產生有毒物質環保多了。
然而,超臨界水雖好,卻很難製備,確切地說是很難操作。首先就是條件,需要
加溫、加壓
,這本身就需要耗費很多的能量進去,增加了成本。
其次,超臨界水溶解能力強,它會將一起破壞掉。因為它的溫度這麼高,人不可能到現場做實驗,必定是在機械的幫助下完成。
然而,機械可能一碰到它就“化了”。
自然界的超臨界水已經在2008年被發現,為什麼14年過去了,關於超臨界水的研究依然沒有取得巨大的進展呢?
新的體系
這是因為科學家們發現,一般的物理知識,在超臨界水中無法正常使用。
正常的
流體力學
無法用在超臨界水身上,因此研究才會進展得非常緩慢。
因此有科學家呼籲,應該建立一套屬於
超臨界水的動力學體系
,才能更好地發展。
然而這對才起步的超臨界水來說,是一條很長的路。
超臨界狀態也並不完全侷限於水,氣體以及其他液體也存在同樣的狀態,所以真要研究的話,這將是一個
充滿挑戰的未知領域
。
如果在這上面取得突破進展,那麼人類的科技或許會直接一個飛躍。
這其中,水的臨界條件太過於苛刻,因此研究的方面很少,但是別的物質可就不一定了。
比如二氧化碳,它的臨界溫度和臨界壓力都比較小,臨界溫度只有
31.26℃
,臨界壓力只有
7.38MPa
,比較容易實現。
所以我們對超臨界的二氧化碳研究得比較多,它
價格便宜還沒有毒性,活性較低
,
鐵蛋白-二氧化碳
常被用來
萃取非極性和略有極性的物質
。
在超臨界狀態下,物體會具有
氣、液的雙相性質
,可以被用在很多方面。可以透過改變溫度和壓力改變溶解度,所以在醫學上有很高的前景。
目前人類獲得的超臨界體還不多,也難怪科學家們會說,未來的世界屬於超臨界體。