揭開超臨界水的神秘面紗：德國研究團隊突破性發現

水，這個看似平凡的物質，在極端條件下竟能展現出令人驚奇的特性。德國波鴻魯爾大學的研究團隊最近發表了一項突破性研究，揭開了超臨界水的神秘面紗。這種特殊狀態下的水同時具有液體和氣體的特性，長期以來一直是科學界的未解之謎。

研究團隊結合了太赫茲光譜技術和分子動力學模擬，成功推翻了一個長期存在的理論——超臨界水中的水分子會形成氫鍵簇。他們設計了一種特殊的高壓腔室，發現超臨界水的行為更接近氣體，缺乏液態水中常見的持久氫鍵。模擬結果也證實，分子間的相互作用是短暫且無序的。

超臨界水只有在極端條件下才會出現：溫度超過374°C，壓力超過221巴。這種特殊狀態的水在自然界中也能找到，例如在深海熱液噴口（俗稱「黑煙囪」）周圍。瞭解其分子結構有助於科學家更好地解釋這些環境中發生的化學反應。

研究團隊成員Martina Havenith教授解釋道：「為了研究超臨界水，我們面臨了巨大的挑戰。由於太赫茲光譜使用較長的波長，我們需要比其他光譜範圍大十倍的高壓腔室。」博士生Katja Mauelshagen花費了大量時間設計和建造這種新型腔室，並最佳化其結構以承受極端的壓力和溫度。

實驗結果顯示，超臨界水的太赫茲光譜與氣態水幾乎完全相同，這證明在超臨界狀態下，水分子形成的氫鍵數量與氣態水一樣少。這意味著超臨界水中不存在分子簇，Gerhard Schwaab博士總結道。

在理論計算方面，Dominik Marx教授團隊的Philipp Schienbein博士使用複雜的ab initio分子動力學模擬得出了相同的結論。模擬結果顯示，在超臨界狀態下，兩個水分子只會短暫靠近，然後分開。與氫鍵不同，氫氧原子間的鍵沒有特定的方向性，而是不斷旋轉。

Philipp Schienbein強調：「這種狀態下的鍵非常短暫，比液態水中的氫鍵短100倍。」模擬結果與實驗資料完美吻合，為超臨界水的結構動力學提供了詳細的分子影象。

這項研究由波鴻魯爾大學的物理化學II講座教授Martina Havenith和理論化學講座教授Dominik Marx領導，得到了卓越叢集「魯爾探索溶劑化」（RESOLV）的支援。研究成果已於2025年3月14日發表在《科學進展》期刊上。

這項突破性研究不僅增進了我們對超臨界水的理解，也為其在綠色化學溶劑等領域的應用提供了新的洞見。隨著對超臨界水內部過程的深入瞭解，科學家們有望開發出更環保、更高效的化學反應方法。