冲击加载下液态水的结构相变

王文鹏; 刘福生; 张宁超

doi:10.7498/aps.63.126201

摘要

在一级轻气炮上，利用冲击波加载技术结合光透射测量技术获得了水在1–1.6 GPa压力范围内的透射光谱. 结果表明，透射光变化是由于在冲击压缩过程中，液态水结构在P=0.9 GPa左右存在的不连续引起的，与文献报道结果一致. 结合热力学计算结果和水的相图表明，该变化可能是压力导致液态水由低密度到高密度态的转变所致. 实验为在线研究液态水和其他分子液体的结构相变提供了新的途径和方法.

关键词:

水 /
冲击加载 /
透射 /
液-液相变

Using shock wave loading and real time optical transmission measurements, the transmission spectra of liquid water compressed between the quartz windows under pressures in a range of 1-1.6 GPa are obtained. A discontinuity of liquid water at nearly 0.9 GPa during the shock is observed. Combining the phase diagram of water with calculation results, it is suggested that the discontinuity of liquid water is due to a possible phase transition from low density water to high density water under the experimental conditions. The method can also be used to study other transparent molecular liquids in shock compression experiments.

Keywords:

作者及机构信息

1.
西南交通大学高温高压物理研究所, 成都 610031

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：10874141，10974160）和中央高校基本科研业务费（批准号：SWJTU112T23）资助的课题.

Authors and contacts

1.
Institute of High Pressure and High Temperature Physics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10874141, 10974160) and the Fundamental Research Fund for the Central Universities, China (Grant No. SWJTU112T23).

参考文献

[1]	Kadau K, Germann T C, Lomdahl P S, Holian B L 2002 Science 296 1681
[2]	Bancroft D, Peterson E L, Minshall S 1956 J. Appl. Phys. 27 291
[3]	Pangilinan G, Gupta Y 1994 J. Phys. Chem. 98 4522
[4]	Root S, Gupta Y M 2007 Chem. Phys. Lett. 442 293
[5]	Walsh J M, Rice M H 1957 J. Chem. Phys. 26 815
[6]	Dolan D H, Gupta Y M 2003 Chem. Phys. Lett. 374 608
[7]	Dolan D H, Gupta Y M 2004 J. Chem. Phys. 121 9050
[8]	Dolan D H, Johnson J N, Gupta Y M 2005 J. Chem. Phys. 123 064702
[9]	Sun Q, Zheng H F, Xu J A, Hinesc E 2003 Chem. Phys. Lett. 379 427
[10]	Bastea M, Bastea S, Reaugh J E, Reisman D B 2007 Phys. Rev. B 75 172104
[11]	Knudson M D, Desjarlais M P, Lemke R W, Mattsson T R 2012 Phys. Rev. Lett. 108 091102
[12]	Zheng H F, Sun Q, Shen A, Zhang M 2004 Spec. Spectr. Anal. 24 411 (in Chinese) [郑海飞, 孙樯, Shen A, Zhang M 2004 光谱学与光谱分析 24 411]
[13]	Tu Y S, Fang H P 2010 Physics 39 79 (in Chinese) [涂育松, 方海平 2010 物理 39 79]
[14]	Soper A K, Ricci M A 2000 Phys. Rev. Lett. 84 2881
[15]	Li F F, Cui Q L, He Z, Cui T, Zhang J, Zhou Q, Zou G T 2005 J. Chem. Phys. 123 174511
[16]	Kawamoto T, Ochiai S, Kagi H 2004 J. Chem. Phys. 120 5867
[17]	Dolan D H, Knudson M D, Hall C A, Deeney C 2007 Nat. Phys. 3 339
[18]	Li Y H 2011 Ph. D. Dissertation (Chengdu: Southwest Jiaotong University) (in Chinese) [李永宏 2011 博士学位论文 (成都: 西南交通大学)]
[19]	Jing F Q 1999 Introduction to Experimental Equation of State (Beijing: Science Press) p224 (in Chinese) [经福谦 1999 实验物态方程导引 (北京: 科学出版社) 第224页]
[20]	Yang Y P, Zheng H F, Sun Q 2009 Spec. Spectr. Anal. 29 1573 (in Chinese) [杨玉萍, 郑海飞, 孙樯 2009 光谱学与光谱分析 29 1573]
[21]	Liebscher A 2010 Geofluids 10 3
[22]	Saitta A M, Datchi F 2003 Phys. Rev. E 67 020201
[23]	Canpolat M, Starr F W, Scala A 1998 Chem. Phys. Lett. 294 9

施引文献

[1]	Kadau K, Germann T C, Lomdahl P S, Holian B L 2002 Science 296 1681
[2]	Bancroft D, Peterson E L, Minshall S 1956 J. Appl. Phys. 27 291
[3]	Pangilinan G, Gupta Y 1994 J. Phys. Chem. 98 4522
[4]	Root S, Gupta Y M 2007 Chem. Phys. Lett. 442 293
[5]	Walsh J M, Rice M H 1957 J. Chem. Phys. 26 815
[6]	Dolan D H, Gupta Y M 2003 Chem. Phys. Lett. 374 608
[7]	Dolan D H, Gupta Y M 2004 J. Chem. Phys. 121 9050
[8]	Dolan D H, Johnson J N, Gupta Y M 2005 J. Chem. Phys. 123 064702
[9]	Sun Q, Zheng H F, Xu J A, Hinesc E 2003 Chem. Phys. Lett. 379 427
[10]	Bastea M, Bastea S, Reaugh J E, Reisman D B 2007 Phys. Rev. B 75 172104
[11]	Knudson M D, Desjarlais M P, Lemke R W, Mattsson T R 2012 Phys. Rev. Lett. 108 091102
[12]	Zheng H F, Sun Q, Shen A, Zhang M 2004 Spec. Spectr. Anal. 24 411 (in Chinese) [郑海飞, 孙樯, Shen A, Zhang M 2004 光谱学与光谱分析 24 411]
[13]	Tu Y S, Fang H P 2010 Physics 39 79 (in Chinese) [涂育松, 方海平 2010 物理 39 79]
[14]	Soper A K, Ricci M A 2000 Phys. Rev. Lett. 84 2881
[15]	Li F F, Cui Q L, He Z, Cui T, Zhang J, Zhou Q, Zou G T 2005 J. Chem. Phys. 123 174511
[16]	Kawamoto T, Ochiai S, Kagi H 2004 J. Chem. Phys. 120 5867
[17]	Dolan D H, Knudson M D, Hall C A, Deeney C 2007 Nat. Phys. 3 339
[18]	Li Y H 2011 Ph. D. Dissertation (Chengdu: Southwest Jiaotong University) (in Chinese) [李永宏 2011 博士学位论文 (成都: 西南交通大学)]
[19]	Jing F Q 1999 Introduction to Experimental Equation of State (Beijing: Science Press) p224 (in Chinese) [经福谦 1999 实验物态方程导引 (北京: 科学出版社) 第224页]
[20]	Yang Y P, Zheng H F, Sun Q 2009 Spec. Spectr. Anal. 29 1573 (in Chinese) [杨玉萍, 郑海飞, 孙樯 2009 光谱学与光谱分析 29 1573]
[21]	Liebscher A 2010 Geofluids 10 3
[22]	Saitta A M, Datchi F 2003 Phys. Rev. E 67 020201
[23]	Canpolat M, Starr F W, Scala A 1998 Chem. Phys. Lett. 294 9

[1]	段铜川, 闫韶健, 赵妍, 孙庭钰, 李阳梅, 朱智. 水的氢键网络动力学与其太赫兹频谱的关系. 物理学报, 2021, 70(24): 248702. doi: 10.7498/aps.70.20211731
[2]	孙志伟, 何燕, 唐元政. 单壁碳纳米管受限空间内水的分布. 物理学报, 2021, 70(6): 060201. doi: 10.7498/aps.70.20201523
[3]	华颖鑫, 刘福生, 耿华运, 郝龙, 于继东, 谭叶, 李俊. 多次冲击加载-卸载路径下铁α-ε相变动力学特性研究. 物理学报, 2021, 70(16): 166201. doi: 10.7498/aps.70.20210089
[4]	潘昊, 王升涛, 吴子辉, 胡晓棉. 孪晶对Be材料冲击加-卸载动力学影响的数值模拟研究. 物理学报, 2018, 67(16): 164601. doi: 10.7498/aps.67.20180451
[5]	潘昊, 吴子辉, 胡晓棉. 非对称冲击-卸载实验中纵波声速的特征线分析方法. 物理学报, 2016, 65(11): 116201. doi: 10.7498/aps.65.116201
[6]	张云安, 陶俊勇, 陈循, 刘彬. 水对无定形SiO2拉伸特性影响的反应分子动力学模拟. 物理学报, 2013, 62(24): 246801. doi: 10.7498/aps.62.246801
[7]	俞宇颖, 习锋, 戴诚达, 蔡灵仓, 谭华, 李雪梅, 胡昌明. 冲击加载下Zr51Ti5Ni10Cu25Al9金属玻璃的塑性行为. 物理学报, 2012, 61(19): 196202. doi: 10.7498/aps.61.196202
[8]	王军国, 刘福生, 李永宏, 张明建, 张宁超, 薛学东. 在石英界面处液态水的冲击结构相变. 物理学报, 2012, 61(19): 196201. doi: 10.7498/aps.61.196201
[9]	李永宏, 刘福生, 程小理, 张明建, 薛学东. 冲击加载条件下融石英对水的凝固相变的诱导效应. 物理学报, 2011, 60(12): 126202. doi: 10.7498/aps.60.126202
[10]	郑俊娟, 孙刚. 嵌入电介质小球的金属薄片的电磁波透射特性. 物理学报, 2010, 59(6): 4008-4013. doi: 10.7498/aps.59.4008
[11]	邓小良, 祝文军, 宋振飞, 贺红亮, 经福谦. 冲击加载下孔洞贯通的微观机理研究. 物理学报, 2009, 58(7): 4772-4778. doi: 10.7498/aps.58.4772
[12]	陈军, 徐云, 陈栋泉, 孙锦山. 冲击作用下纳米孔洞动力学行为的多尺度方法模拟研究. 物理学报, 2008, 57(10): 6437-6443. doi: 10.7498/aps.57.6437
[13]	张春梅, 边心超, 陈强, 付亚波, 张跃飞. 微量水对碳纳米管形貌的影响及其机理研究. 物理学报, 2008, 57(7): 4602-4606. doi: 10.7498/aps.57.4602
[14]	孟田华, 赵国忠, 张存林. 亚波长分形结构太赫兹透射增强的机理研究. 物理学报, 2008, 57(6): 3846-3852. doi: 10.7498/aps.57.3846
[15]	刘炳灿, 潘学琴, 任志明. 非线性系数对超晶格透射的影响. 物理学报, 2006, 55(12): 6595-6599. doi: 10.7498/aps.55.6595
[16]	邓小良, 祝文军, 贺红亮, 伍登学, 经福谦. 〈111〉晶向冲击加载下单晶铜中纳米孔洞增长的早期动力学行为. 物理学报, 2006, 55(9): 4767-4773. doi: 10.7498/aps.55.4767
[17]	刘敬伟, 陈少武, 余金中. 一种分析三维楔脊形光波导与光纤耦合的方法. 物理学报, 2005, 54(1): 6-11. doi: 10.7498/aps.54.6
[18]	欧阳雨, 方炎. 水对800℃下CH4在Ar气中分解制备单壁碳纳米管的影响. 物理学报, 2005, 54(2): 578-581. doi: 10.7498/aps.54.578
[19]	陈莹, 邱锡钧. 细胞骨架微管中水的电偶极集体辐射. 物理学报, 2003, 52(6): 1554-1560. doi: 10.7498/aps.52.1554
[20]	李中新, 金亚秋. 双网格前后向迭代与谱积分法计算分形粗糙面的双站散射与透射. 物理学报, 2002, 51(7): 1403-1411. doi: 10.7498/aps.51.1403

计量

文章访问数: 6017
PDF下载量: 4485
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板