超臨界水是一種神秘的狀態，水的行為既像液體又像氣體，長期以來一直困擾著科學家。

德國的研究人員利用太赫茲光譜學和強大的模擬最終揭穿了一個關鍵理論 —— 水分子在這種狀態下形成氫鍵簇。通過建立一個專門的高壓電池，研究小組發現超臨界水的行為很像氣體，缺乏液態水中持久的氫鍵。模擬證實了分子間的相互作用是短暫而無序的。

揭示超臨界水

德國波鴻魯爾大學的研究人員對超臨界水的結構有了新的認識，超臨界水是一種獨特的的狀態，在這種狀態下，水的行為既像液體又像氣體。這種狀態只發生在極端條件下：溫度高於374°C，壓力高於221 bar。

一個長期存在的理論認為，在這種狀態下，水分子通過氫鍵形成團簇。然而，波鴻團隊現在已經用太赫茲光譜學和分子動力學模擬相結合的方法推翻了這個想法。他們的研究結果發表在2025年3月14日的《科學進展》雜誌上。

為什麼超臨界水很重要

超臨界水可以在自然界中找到，比如在被稱為黑煙囪的深海熱液噴口周圍，那裡存在著極高的壓力和熱量。瞭解它的分子結構可以幫助科學家更好地解釋這些環境中發生的化學反應。

“瞭解超臨界水的結構可以幫助我們揭示黑煙囪附近的化學過程，”多米尼克·馬克思（Dominik Marx）說，他指的是他的研究小組最近發表的一篇關於這個主題的論文。

由於其獨特的性質，超臨界水也成為化學反應的“綠色”溶劑；這是因為它既環保，同時又反應性強。”

為了提高超臨界水的可用性，有必要更詳細地瞭解其中的過程。瑪蒂娜·哈威尼斯（Martina Havenith）的團隊為此使用了太赫茲光譜學。雖然其他光譜方法可以用來研究分子內的氫鍵，但太赫茲光譜可以靈敏地探測分子之間的氫鍵，因此可以探測超臨界水中簇的形成，如果有的話。

設計高壓突破

“在實驗試驗中，將這種方法應用於超臨界水是一個巨大的挑戰，”哈威尼斯解釋說。“在太赫茲光譜中，我們需要比其他任何光譜範圍的高壓電池直徑大10倍，因為我們需要更長的波長。”在撰寫博士論文時，Katja Mauelshagen花了無數個小時設計和構建了一個新的、合適的電池，並對其進行了優化，使其能夠承受極端的壓力和溫度，儘管它的尺寸很大。

改寫分子圖譜

最終，實驗人員成功地記錄了即將進入超臨界狀態的水，以及超臨界狀態本身的數據。液態水和氣態水的太赫茲光譜差別很大，而超臨界水和氣態水的太赫茲光譜看起來幾乎是一樣的。這證明水分子在超臨界狀態下形成的氫鍵和在氣體狀態下形成的氫鍵一樣少。“這意味著超臨界水中沒有分子簇。”

多米尼克·馬克思團隊的成員Philipp Schienbein在他的博士論文中使用複雜從頭算分子動力學模擬計算了超臨界水中的過程，得出了同樣的結論。就像在實驗中一樣，首先要克服幾個障礙，比如在虛擬實驗室中確定水的臨界點的精確位置。

超臨界水的短暫化學鍵

從頭計算類比最終表明，兩個處於超臨界狀態的水分子在分離前只保持了很短的時間。與氫鍵不同，氫原子和氧原子之間的鍵沒有優先取向，這是氫鍵的一個關鍵特性。氫氧鍵的方向永久地旋轉。

Philipp Schienbein強調說：“在這種狀態下存在的鍵非常短暫：比液態水中的氫鍵短100倍。”模擬結果與實驗數據完全吻合，現在提供了超臨界狀態下水結構動力學的詳細分子圖。