超临界水是一种很神秘的状态。在这种状态下，水的行为既呈现出液体的特点，又呈现出气体的特点。这种现象长期以来一直让科学家感到困扰。
德国研究人员借助太赫兹光谱学以及强大的模拟，最终揭开了一个关键理论。这个理论是水分子在特定状态下会形成氢键簇。研究小组通过建立一个专门的高压电池，发现超临界水的行为与气体相似，且缺乏液态水中那种持久的氢键。模拟表明分子间的相互作用是短暂且无序的。
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，水的行为呈现出既像液体又像气体的特点。这种状态只会在极端条件下出现，即温度要高于 374°C，压力要高于 221 bar。
一个理论长期存在，该理论认为在这种特定状态下，水分子会借助氢键形成团簇。然而，波鸿团队现今运用太赫兹光谱学与分子动力学模拟相融合的方式，推翻了这一想法。他们的研究成果在 2025 年 3 月 14 日被发表于《科学进展》杂志上。
为什么超临界水很重要
超临界水在自然界中能够被找到。例如在被称作黑烟囱的深海热液喷口周围就存在着它。那里有着极高的压力和热量。了解它的分子结构有助于科学家更好地对这些环境中发生的化学反应进行解释。
多米尼克·马克思（Dominik Marx）说，了解超临界水的结构有助于揭示黑烟囱附近的化学过程。他指的是他的研究小组最近发表了一篇关于这个主题的论文。
超临界水因其独特性质成为化学反应的“绿色”溶剂，因为它既环保，又反应性强。
为提高超临界水的可用性，需更详细地了解其中的过程。玛蒂娜·哈维尼斯的团队为此采用了太赫兹光谱学。其他光谱方法可用于研究分子内的氢键，而太赫兹光谱能灵敏探测分子之间的氢键，所以能够探测超临界水中簇的形成（若有）。
设计高压突破
在实验过程中，把这种方法运用到超临界水上面是一项重大的挑战。哈维尼斯进行了解释。在太赫兹光谱里，我们所需要的高压电池直径要比其他任何光谱范围的都大 10 倍，这是因为我们需要更长的波长。Katja Mauelshagen 在撰写博士论文期间，花费了大量的时间去设计和构建一个新的、合适的电池。她对这个电池进行了优化，让它能够承受极端的压力和温度。尽管这个电池的尺寸很大。
改写分子图谱
实验人员最终成功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异较大，超临界水和气态水的太赫兹光谱看起来几乎相同。这表明水分子在超临界状态下形成的氢键与在气体状态下形成的氢键数量一样少。这意味着超临界水中不存在分子簇。
多米尼克·马克思团队的成员 Philipp Schienbein 在其博士论文里，运用复杂从头算分子动力学模拟来计算超临界水中的过程，进而得出了相同的结论。如同在实验中那般，首先需要克服一些障碍，例如要在虚拟实验室里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之前保持的时间很短。氢键有一个关键特性，即氢原子和氧原子之间的键没有优先取向，而氢氧键的方向是永久旋转的。
Philipp Schienbein强调，在这种状态下存在的键存续时间很短：比液态水中的氢键短 100 倍。模拟结果与实验数据完全相符，如今提供了超临界状态下水结构动力学的详细分子图像。
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