物質(zhì)的“第四相”？

把水變成冰塊并不稀奇，可要是把類水液體變成像水又像氣呢？

不知道你見過這樣奇妙的物質(zhì)沒，科學(xué)家卻在深海發(fā)現(xiàn)了這樣的“第四種相”。

這種奇妙的物質(zhì)就如同文章開頭的描述一般，你很難把它定義為某一種相態(tài)。

近年我國發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)的地點(diǎn)是在西太平洋深處的一個深海熱液區(qū)中。

這種“無相”物質(zhì)是超臨界狀態(tài)的二氧化碳，同時這也是全球首次在自然界中發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳。

此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)在科學(xué)界中還是引起了不少人關(guān)注，為何二氧化碳會出現(xiàn)這樣的形態(tài)，所謂的超臨界狀態(tài)又是什么？

為什么它的發(fā)現(xiàn)給地球演化提供了一個新的思路？

本文接下來就會對這些問題進(jìn)行一個基本闡述，同時也跟大伙兒好好聊聊關(guān)于超臨界流體這件事。

相態(tài)轉(zhuǎn)變

首先我們來捋一捋物質(zhì)的三種相態(tài)，液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)是物質(zhì)的基本相，想必這個不用多說。

但是物質(zhì)并非只有這三種形態(tài)，還存在一個臨界點(diǎn)，當(dāng)物質(zhì)處于這個臨界點(diǎn)時就會形成一種超臨界流體態(tài)。

超臨界流體在溫度和壓力上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液相和氣相的臨界點(diǎn)，同時它也不是固體。

它能夠像緩慢運(yùn)動的氣體一般從多孔的固體中流出，同時還克服了液體在質(zhì)量傳遞里通過材料的傳輸限制能力，這使得超臨界流體在材料傳輸方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于氣體、溶劑化液體或者固體材料。

另外，如果在臨界點(diǎn)附近略微的改變壓力或者溫度便會使得超臨界流體發(fā)生密度變化，因此這種物質(zhì)在可塑性上比一般流體要強(qiáng)。

除了以上這些特點(diǎn)，超臨界流體最神奇的地方在于它沒有表面張力，因?yàn)闆]了液相和氣相的明確分界。

只需要調(diào)整壓力和密度便可以更改物質(zhì)特性，使其更偏向于液體或者氣體。

最重要的是它在流體中的溶解度變化。

超臨界流體在恒定溫度下的溶解度會隨著密度增加而增加。

不過，當(dāng)它接近臨界點(diǎn)時，密度會隨著溫度的輕微升高會出現(xiàn)急劇下降。

因此超臨界流體隨著臨界點(diǎn)的溫度升高會出現(xiàn)多次溶解度變化。

實(shí)際上關(guān)于超臨界流體的研究已經(jīng)不是什么新鮮事，科學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)了這種物質(zhì)狀態(tài)，并充分地利用這樣的特性進(jìn)行各種活動。

在天文學(xué)的研究中，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了這種超臨界流體廣泛存在于各類天體中，比如我們熟知的金星。

金星的大氣是由96.5%的二氧化碳和3.5%的氮?dú)猓捎诮鹦潜砻鎵毫^高（9.3兆帕），溫度達(dá)到了461攝氏度，這使得金星上的大氣出現(xiàn)了一種超臨界流體的狀態(tài)。

這種現(xiàn)象同樣還出現(xiàn)在一些大型氣態(tài)行星上面，比如木星和土星。

這些巨型氣態(tài)行星的內(nèi)部氣體溫度遠(yuǎn)高于臨界點(diǎn)，主要由氫、氦組成，因此它們內(nèi)部的超臨界流體平穩(wěn)過渡到一種近似液體的狀態(tài)。

但目前海王星和天王星科學(xué)家并不清楚，現(xiàn)有的太陽系模型還不能完全展現(xiàn)出所有天體的狀態(tài)。

來到我們的地球，這種超臨界流體就更加常見了。

比如說石油行業(yè)的開采，大部分石油開采點(diǎn)都有氣藏，而且基本處于超臨界點(diǎn)。

比如甲烷這種氣體，它的臨界壓力在4.6兆帕，臨界溫度在零下83度左右。

因此甲烷要形成超臨界流體還是比較容易的，因?yàn)榈貙訙囟群蛪毫μ幱诔R界區(qū)的底部，并且靠近氣相區(qū)，不過這也不是絕對。

根據(jù)我們前面所講的超臨界流體的變化特征，因此甲烷在開采過程中可能會呈現(xiàn)油藏，又或者是氣液狀態(tài)，接近于揮發(fā)油，也有可能是凝析氣。

這些變化需要看具體的溫度和壓力變化差異才能得知。

所以，從物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)變上來講，任何一種物質(zhì)都有其自身的超臨界流體狀態(tài)。

那既然如此，為什么二氧化碳的超臨界流體卻引起了科學(xué)家們的注意呢？

超臨界流體引導(dǎo)生命轉(zhuǎn)變？

這個問題還是要從超臨界流體本身說起，二氧化碳的這種臨界變化需要較為復(fù)雜的環(huán)境才能完成這種形態(tài)的轉(zhuǎn)變。

我們先來看看下面這張圖。

很明顯，當(dāng)它低于臨界溫度時，隨著壓力的增加，氣體二氧化碳會被壓縮并冷凝成密度更大的液體。

當(dāng)它接近臨界溫度時，平衡二氧化碳?xì)怏w狀態(tài)的密度增高，這時液體的密度變低。

在臨界點(diǎn)時，密度不會有差異，兩相變成了一流相。

因此，高于臨界溫度的氣體不能通過壓力液化。

簡單來講，二氧化碳的超臨界狀態(tài)必須同時滿足31攝氏度和73個大氣壓以上才能形成。

但是這種環(huán)境要求在自然界中是極為罕見的，因?yàn)槟芡瑫r滿足這種條件的地方幾乎沒有。

然而，在西太平洋深海的熱液區(qū)，由于海底巖漿的活動，以及深海的壓力作用，使得二氧化碳有機(jī)會形成這種狀態(tài)。

深海熱液區(qū)是深海中最活躍的地區(qū)之一，由于地殼內(nèi)部的熱液循環(huán)作用，使得流體被加熱并形成對流。

這些流體在地底火山的作用下被帶出，被噴出的區(qū)域也被科學(xué)家們叫做“黑煙囪”。

西太平洋深海底部的熱液流體中就包含較多的二氧化碳，在二氧化碳的熱液區(qū)域，由于巖漿的脫氣作用使得熱液區(qū)深部不同物質(zhì)相出現(xiàn)分離，熱液流體中的二氧化碳因此也開始聚集起來。

熱液區(qū)提供的溫度和壓力使得二氧化碳能夠以超臨界態(tài)出現(xiàn)。

這是超臨界態(tài)二氧化碳在自然界中被發(fā)現(xiàn)的第一點(diǎn)，其二是這可能揭示了地球生命的起源。

過去科學(xué)家在研究地球生命起源時，有一個假說就認(rèn)為地球的原始大氣來源于深海熱液系統(tǒng)。

遠(yuǎn)古時期的嗜熱菌可能是所有生物的祖先。但是這種假說缺乏一種證據(jù)，因?yàn)闊嵋簠^(qū)域中缺乏氮，這是合成氨基酸的關(guān)鍵元素。

此次發(fā)現(xiàn)不僅向人們展示了自然界中存在的超臨界態(tài)二氧化碳，科學(xué)家們還在這種流體狀態(tài)中發(fā)現(xiàn)了大量的氮?dú)獬煞郑虼丝茖W(xué)家也在推測這其中可能存在有機(jī)物。

如果研究進(jìn)一步成立，那這極有可能在未來改變?nèi)藗儗τ谏鹪吹恼J(rèn)知。

所以說這次的發(fā)現(xiàn)可謂關(guān)系生命的未來和過去，人們又一次地認(rèn)識到地球內(nèi)部的活動變化會給生命帶來怎樣的改變。

另外在實(shí)際生活的應(yīng)用里，這種超臨界流體其實(shí)出現(xiàn)的地方還不少。

比如干洗店里的超臨界二氧化碳。

如果在可溶于二氧化碳的去污劑中加入這中超臨界流體，這便會極大地提升溶劑的去污能力。

類似的應(yīng)用還包括化學(xué)反應(yīng)溶劑、浸漬、染色等等。

另外在各類化工產(chǎn)業(yè)和加工業(yè)里也會出現(xiàn)對超臨界流體的運(yùn)用。

話說到最后，超臨界狀態(tài)流體到底是哪種相態(tài)呢？

嚴(yán)格來講，這種流體實(shí)際上是較為穩(wěn)定的處于在一個單相相區(qū)，它不屬于任何一種相態(tài)，但又是在三相之中接近于某種相。

只需要掌握物質(zhì)的三相臨界點(diǎn)和溫度壓力之間的關(guān)系，我們便能夠制造出這種超臨界流體。

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