物质的“第四相”？

把水变成冰块并不稀奇，可要是把类水液体变成像水又像气呢？

不知道你见过这样奇妙的物质没，科学家却在深海发现了这样的“第四种相”。

这种奇妙的物质就如同文章开头的描述一般，你很难把它定义为某一种相态。

近年我国发现该物质的地点是在西太平洋深处的一个深海热液区中。

这种“无相”物质是超临界状态的二氧化碳，同时这也是全球首次在自然界中发现超临界二氧化碳。

此项发现在科学界中还是引起了不少人关注，为何二氧化碳会出现这样的形态，所谓的超临界状态又是什么？

为什么它的发现给地球演化提供了一个新的思路？

本文接下来就会对这些问题进行一个基本阐述，同时也跟大伙儿好好聊聊关于超临界流体这件事。

相态转变

首先我们来捋一捋物质的三种相态，液态、气态、固态是物质的基本相，想必这个不用多说。

但是物质并非只有这三种形态，还存在一个临界点，当物质处于这个临界点时就会形成一种超临界流体态。

超临界流体在温度和压力上都远远高于液相和气相的临界点，同时它也不是固体。

它能够像缓慢运动的气体一般从多孔的固体中流出，同时还克服了液体在质量传递里通过材料的传输限制能力，这使得超临界流体在材料传输方面远远优于气体、溶剂化液体或者固体材料。

另外，如果在临界点附近略微的改变压力或者温度便会使得超临界流体发生密度变化，因此这种物质在可塑性上比一般流体要强。

除了以上这些特点，超临界流体最神奇的地方在于它没有表面张力，因为没了液相和气相的明确分界。

只需要调整压力和密度便可以更改物质特性，使其更偏向于液体或者气体。

最重要的是它在流体中的溶解度变化。

超临界流体在恒定温度下的溶解度会随着密度增加而增加。

不过，当它接近临界点时，密度会随着温度的轻微升高会出现急剧下降。

因此超临界流体随着临界点的温度升高会出现多次溶解度变化。

实际上关于超临界流体的研究已经不是什么新鲜事，科学家很早就发现了这种物质状态，并充分地利用这样的特性进行各种活动。

在天文学的研究中，科学家们就发现了这种超临界流体广泛存在于各类天体中，比如我们熟知的金星。

金星的大气是由96.5%的二氧化碳和3.5%的氮气，由于金星表面压力较高（9.3兆帕），温度达到了461摄氏度，这使得金星上的大气出现了一种超临界流体的状态。

这种现象同样还出现在一些大型气态行星上面，比如木星和土星。

这些巨型气态行星的内部气体温度远高于临界点，主要由氢、氦组成，因此它们内部的超临界流体平稳过渡到一种近似液体的状态。

但目前海王星和天王星科学家并不清楚，现有的太阳系模型还不能完全展现出所有天体的状态。

来到我们的地球，这种超临界流体就更加常见了。

比如说石油行业的开采，大部分石油开采点都有气藏，而且基本处于超临界点。

比如甲烷这种气体，它的临界压力在4.6兆帕，临界温度在零下83度左右。

因此甲烷要形成超临界流体还是比较容易的，因为地层温度和压力处于超临界区的底部，并且靠近气相区，不过这也不是绝对。

根据我们前面所讲的超临界流体的变化特征，因此甲烷在开采过程中可能会呈现油藏，又或者是气液状态，接近于挥发油，也有可能是凝析气。

这些变化需要看具体的温度和压力变化差异才能得知。

所以，从物质形态转变上来讲，任何一种物质都有其自身的超临界流体状态。

那既然如此，为什么二氧化碳的超临界流体却引起了科学家们的注意呢？

超临界流体引导生命转变？

这个问题还是要从超临界流体本身说起，二氧化碳的这种临界变化需要较为复杂的环境才能完成这种形态的转变。

我们先来看看下面这张图。

很明显，当它低于临界温度时，随着压力的增加，气体二氧化碳会被压缩并冷凝成密度更大的液体。

当它接近临界温度时，平衡二氧化碳气体状态的密度增高，这时液体的密度变低。

在临界点时，密度不会有差异，两相变成了一流相。

因此，高于临界温度的气体不能通过压力液化。

简单来讲，二氧化碳的超临界状态必须同时满足31摄氏度和73个大气压以上才能形成。

但是这种环境要求在自然界中是极为罕见的，因为能同时满足这种条件的地方几乎没有。

然而，在西太平洋深海的热液区，由于海底岩浆的活动，以及深海的压力作用，使得二氧化碳有机会形成这种状态。

深海热液区是深海中最活跃的地区之一，由于地壳内部的热液循环作用，使得流体被加热并形成对流。

这些流体在地底火山的作用下被带出，被喷出的区域也被科学家们叫做“黑烟囱”。

西太平洋深海底部的热液流体中就包含较多的二氧化碳，在二氧化碳的热液区域，由于岩浆的脱气作用使得热液区深部不同物质相出现分离，热液流体中的二氧化碳因此也开始聚集起来。

热液区提供的温度和压力使得二氧化碳能够以超临界态出现。

这是超临界态二氧化碳在自然界中被发现的第一点，其二是这可能揭示了地球生命的起源。

过去科学家在研究地球生命起源时，有一个假说就认为地球的原始大气来源于深海热液系统。

远古时期的嗜热菌可能是所有生物的祖先。但是这种假说缺乏一种证据，因为热液区域中缺乏氮，这是合成氨基酸的关键元素。

此次发现不仅向人们展示了自然界中存在的超临界态二氧化碳，科学家们还在这种流体状态中发现了大量的氮气成分，因此科学家也在推测这其中可能存在有机物。

如果研究进一步成立，那这极有可能在未来改变人们对于生命起源的认知。

所以说这次的发现可谓关系生命的未来和过去，人们又一次地认识到地球内部的活动变化会给生命带来怎样的改变。

另外在实际生活的应用里，这种超临界流体其实出现的地方还不少。

比如干洗店里的超临界二氧化碳。

如果在可溶于二氧化碳的去污剂中加入这中超临界流体，这便会极大地提升溶剂的去污能力。

类似的应用还包括化学反应溶剂、浸渍、染色等等。

另外在各类化工产业和加工业里也会出现对超临界流体的运用。

话说到最后，超临界状态流体到底是哪种相态呢？

严格来讲，这种流体实际上是较为稳定的处于在一个单相相区，它不属于任何一种相态，但又是在三相之中接近于某种相。

只需要掌握物质的三相临界点和温度压力之间的关系，我们便能够制造出这种超临界流体。

标签：