Supercooled Water Reading 1
A Study of Water Supercooling
written by Amir Gholaminejad, Reza Hosseini,
published by Journal of Electronics Cooling and Thermal Control, Vol.3 No.1, 2013
http://dx.doi.org/10.4236/jectc.2013.31001
Definition: Liquid not freeze when below freezing point, unstable and occurs in specific conditions
- melting point(MP)
- freezing point(FP)
- Nucleation Temperature(NT)
- Nucleation
- Nucleation Agent
- Homogenous Nucleation
- Heterogeneous Nucleation
- Supercooling Capacity
Attributions:
- Supercooling agent
- Freezer temperature
- Initial temperature
Mpemba Effect:
hot water freezes faster than cold water
Freezer tmeperature: lower the freezer is, more unstable the supercooling is
Initial temperature: hot water: higher nucleation temperature and faster freezing
Advances in the study of supercooled water
Gallo, Paola, et al. “Advances in the study of supercooled water.” The European Physical Journal E 44 (2021): 1-36.
https://doi.org/10.1140/epje/s10189-021-00139-1
笼效应
液-液临界点转变（LLCP）
液-液临界点假设（LLCP）认为在水的过冷区域内存在一个液-液第一类相变，该相变终止于一个临界点。这个临界点的存在会导致显著的热力学波动，这些波动可以通过实验探测到。在这种假设下，低密度液态水（LDL）和高密度液态水（HDL）两种状态之间的平衡会引起响应函数（如比热和等温压缩系数）的极大值，并且这些极大值在临界点附近汇聚
Widom线
在微观上，过冷水显示出与正常液态水不同的结构和动力学特性。过冷水的分子排列更有序，显示出较高的局部四面体结构。动力学上，过冷水的分子运动变得更缓慢，其粘度显著增加，并且表现出更大的热力学波动。这些变化是由于液-液临界点附近的异常行为引起的
实现过冷的一般方法包括快速冷却和使用非常纯净的水样以避免成核，这种状态可以通过减少外界扰动和杂质来维持。
玻璃态
水玻璃态是指水在低温下迅速冷却后形成的一种非晶态固体，类似于玻璃。根据制备条件的不同，水玻璃态可以表现为高密度非晶态（HDA）、低密度非晶态（LDA）或其他状态。这些不同的非晶态之间可以通过调节压力和温度进行相变。水玻璃态的重要性在于它们与液态水有着直接的热力学联系，尤其是高密度非晶态水在加热时可以转变回超黏液态水，这表明了其与液态水的紧密关联
方法
微小水滴：
小尺度的水滴在研究中发挥了重要作用，尤其是在自然和工业环境中常见的微观和纳米尺度的水滴。这些小水滴相较于体积较大的水样本，更能抵抗结晶。这种抵抗结晶的能力主要源于有限尺寸效应和表面效应。通过控制水滴的尺寸和温度，科学家们能够在极低温度下保持水的液态，从而观察其在过冷状态下的行为。例如，研究显示，纳米尺度的水滴内部会产生显著的拉普拉斯压力，这种压力有助于抑制冰的形成。具体实验中，通过计算机模拟使用TIP4P/2005势模型，研究者发现，当温度降至180 K时，最小的纳米水滴（包含约100个分子）内部的拉普拉斯压力可以高达2000 atm。在这种条件下，尽管水滴体积小，但其特性仍受液-液相变的影响
盐溶液：
另一个重要的实验方法是通过加入盐溶液来研究过冷水。盐溶液的加入不仅可以降低冰的结晶温度，还可以提供更多的观察窗口。自Angell和Kanno的开创性研究以来，盐溶液一直被广泛应用于探讨深度过冷水的热力学和结构特性。通过这种方法，研究者能够进入常规条件下无法访问的温度区域，深入研究水在极端条件下的行为
计算机模拟：
除了实验方法，计算机模拟也在过冷水研究中扮演了重要角色。模拟研究不仅帮助科学家们理解实验中难以直接观测的现象，还提供了验证和补充实验结果的手段。通过分子动力学模拟，研究者能够追踪水分子在不同温度和压力下的动态行为，揭示其微观结构和相互作用。例如，通过模拟研究，发现过冷水在温度进一步降低时，其动力学从结构松弛行为转变为以跳跃为主导的动力学，并且对应的结构松弛时间从脆弱行为向强行为转换。
微观结构
在微观结构方面，过冷水被认为包含两种主要的分子排列方式，即四面体结构和畸变结构。四面体结构中的水分子与其四个最近邻分子形成理想的氢键网络，被称为T（Tetrahedral）分子；而在畸变结构中，水分子的氢键网络受到不同程度的破坏，被称为D（Distorted）分子。这两种分子结构在不同温度下的相对比例会发生变化，温度降低时，T分子的比例增加，而D分子的比例减少。过冷水的低密度液相（LDL）主要由几乎纯净的T相组成，而高密度液相（HDL）则是由少量缺陷分子包围的T分子组成的混合相
动力学特性
在动力学方面，过冷水表现出复杂的行为，其动力学特性随温度的降低而显著变化。在温度较高的过冷区域，过冷水的动力学行为类似于玻璃形成体，遵循模式耦合理论（MCT）。这种行为在计算机模拟和时间分辨光谱实验中得到了验证。此外，研究发现，过冷水的动力学特性与其热力学性质密切相关，存在明显的动力学跨越现象，即当温度进一步降低时，水的结构松弛时间从脆弱行为转变为强行为。这种跨越现象与Widom线密切相关，Widom线是指在接近液-液临界点区域，热力学响应函数如比热和等温压缩系数的最大值所在的线。在存在液-液临界点（LLCP）的情况下，过冷水的动力学跨越与Widom线的存在密切相关，穿过Widom线时，水的动力学从脆行为转变为强行为
结构松弛时间：
（α-松弛时间）是指液体中粒子从被邻近粒子困住的状态逐渐自由移动的过程所需要的时间尺度。当温度降低时,粒子被困的时间会越来越长,结构松弛时间也会越来越长。
脆性液体：
(fragile liquid)是指其结构松弛时间(α-松弛时间)遵循模式耦合理论(MCT)预测的幂律关系:
强性液体：
(strong liquid)是指其松弛时间遵循阿伦尼乌斯型
- 标题: Supercooled Water Reading 1
- 作者: Little_Whale
- 创建于 : 2024-06-30 19:24:33
- 更新于 : 2024-11-19 10:58:19
- 链接: https://xlittlewhale.github.io/2024/06/30/supercooled_water_1/
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