来源：Ruhr-Universitaet-Bochum；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 高慧 编译

    德国波鸿鲁尔大学（Ruhr University Bochum）的研究人员阐明了超临界水的结构。在这种存在于极端温度和压力下的状态下，水同时表现出液体和气体的特性。有一种理论认为，水分子会形成团簇，并通过氢键相互连接。波鸿的研究团队通过结合太赫兹光谱和分子动力学模拟，推翻了这一假说。研究结果发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。实验工作由物理化学II讲席的Katja Mauelshagen博士、Gerhard Schwaab博士和Martina Havenith教授完成，理论工作则由理论化学讲席的Philipp Schienbein博士和Dominik Marx教授负责。

    超临界水作为溶剂的价值

    超临界水在地球上天然存在，例如在深海热液喷口（"黑烟囱"）形成的极端海底环境中。当温度达到374摄氏度、压力221巴时，水就进入超临界状态。

    "理解超临界水的结构有助于我们揭示黑烟囱附近的化学过程，"Marx说，并引用了他研究小组最近发表的相关论文。"由于其独特性质，超临界水还是一种备受关注的'绿色'溶剂，因为它既环保又具有高反应活性。"

    为了进一步提高超临界水的可用性，需要更详细地了解其内部过程。Havenith的团队为此使用了太赫兹光谱技术。与其他光谱方法不同，太赫兹光谱能够灵敏地探测分子间的氢键，从而可以检测超临界水中是否存在团簇结构。

    高压测量池的挑战

    "在实验中，将这种方法应用于超临界水是一个巨大挑战，"Havenith解释道。"由于我们使用的是较长波长，太赫兹光谱所需高压池的直径必须比其他光谱范围大十倍。"

    Katja Mauelshagen在博士论文研究期间花费了大量时间设计和建造新型测量池，并优化其结构，使其在尺寸增大的情况下仍能承受极端压力和温度。

    最终，实验团队成功记录了水即将进入超临界状态时和处于超临界状态时的数据。结果显示：液态水和气态水的太赫兹光谱差异显著，而超临界水和气态水的光谱几乎完全相同。这证明在超临界状态下，水分子间形成的氢键数量与气态时一样少。

    "这意味着超临界水中不存在分子团簇，"Schwaab总结道。

    Marx团队的Schienbein通过复杂的从头算分子动力学模拟得出了相同结论。在他的博士论文中，他模拟了超临界水中的过程。与实验一样，研究过程中也克服了诸多困难，比如在虚拟实验室中精确确定水的临界点位置。

    模拟最终显示，在超临界状态下，两个水分子仅会短暂靠近，随后就分开。与氢键不同，这种状态下氢原子和氧原子之间的结合没有特定取向——这是氢键的一个关键特征。氢氧键的方向在不断变化。

    "这种状态下存在的键合极其短暂：其持续时间是液态水中氢键的百分之一，"Schienbein强调说。

    模拟结果与实验数据完美吻合，为超临界水的结构动力学提供了详细的分子层面解释。

    更多信息：Katja Mauelshagen et al, Random encounters dominate water-water interactions at supercritical conditions, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adp8614