MIT网站头条致敬，张杨优美把戏揭开水之奥妙

UIUC新科教授张杨教授主页（http://zhang.npre.illinois.edu）

说明：张杨博士2012年9月出任美国伊利诺伊大学核能、粒子与放射工程系助理教授。

2011年8月1日，美国麻省理工学院（MIT）网站头条刊登《揭开水之奥秘》的新闻，以此祝贺中国科学技术大学校友张杨（MIT2010届博士）揭示生命之源水特性的重要成就。张杨博士的实验验证了水在有限空间的临界现象理论，该成果有可能对生物，化工，土木工程等产生重要影响。

张杨在MIT博士毕业答辩时留影，其身后是核燃料棒组件。

水是生命之源——人们喝水、在水中游泳；人体大部由水组成。水无所不在，但是水的许多科学问题却依然困扰着人们。例如，大部分物质遇冷收缩，唯独水在结冰时反而膨胀，所以冰浮于水面。然而，人们对这个自然现象的根本原因的了解却依然非常有限。

张杨及其导师，MIT教授陈守信共同揭开水的部分神秘特性，并在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）发表论文。张杨是这项工作的主要作者。

图为美国麻省理工学院网站2011年8月1日首页，头条以“揭秘水之奥妙”祝贺中国科大9923校友张杨（MIT2010届核能工程博士）的成果。

他在接受采访时称“水大概是地球上最诡异的物质了”。所有物质在固态、液态与气态间转变时将经历相变（phase transition）。相变过程中，物质特性将发生重大突变。20多年前，科学家们提出了一套理论解释水的奇怪特性——在水的密度迥异的两种相异液态间，可能存在着一种类似的液—液相变（liquid-liquid phase transition）。

可惜，该理论长期以来很难验证，因为“液—液相变”的存在条件非常难实现。例如，它可能发生在零下60度，但糟糕的是，通常情况下此时的水早已结冰。科学家们一直希望有更好的办法来绕过此限制，获得特殊状态下的“过冷水”（在通常的冰点之下仍保持液态的水）。 张杨等人通过一系列设计精巧的实验验证了“液—液相变”的存在——他们利用硅纳米管紧紧束缚水分子，使它们没法结冰。因此，水在远低于冰点的温度下仍保持液态。

张杨通过中子束来探测这种有限空间的水的密度。在试验中，从常压到3000个大气压，从室温到零下140度，他通过升温和降温，测出水在不同状态下密度的变化，从而验证了液—液相变的存在。

普林斯顿大学工程和应用学教授Pablo Debenedetti评论称（张杨等人）“通过优美的实验，试图回答液态水特性的开放难题，并找出了相异液态间的相变。”

其实，日常生活中就可以见到“过冷水”现象。张杨甚至用放在冰箱里的瓶装水做出简单演示。与“过冷水”类似，通过微波炉加热，还可以生成超出通常沸点但仍未汽化的“过热水” ——遇扰动立即沸腾，易造成烫伤。无论是结冰还是沸腾，水都需要有结核点（nucleation point），例如气泡或涟漪（ripple）来诱发状态的转变。

水对人类生活非常重要，张杨的导师陈守信院士2011年7月说：生命在零下45度之下显然没法生存——因为水密度会变化到蛋白质无法存活的地步，而蛋白质又是一切生命的物质基础。水密度的变化还可能影响土木建设——极地温度降到零下45度以下时，混凝土中的微颗粒态水可能导致建筑物或道路裂化。

张杨博士说：人类身体与人类社会的基石正常运作都有温度下限，这都和水特性休戚相关。如果我们可以了解水本身的基本性质，也许我们能够突破这个下限 。

张杨博士和导师、MIT教授陈守信（转自MIT网站）。

张杨1999年毕业于吉林四平市一中，并前往中国科学技术大学电子科学与技术系学习。他曾荣获优秀新生奖学金、优秀学生奖学金、联想奖学金、三星奖学金、多次国内外数学建模竞赛优胜奖、中国科大优秀毕业生、安徽省优秀毕业生等多种荣誉。2003年更获得中国科大本科生最高荣誉奖——郭沫若奖学金。2008年获得MIT核科学与工程系最高荣誉Masson Benedict Award。2010年获得MIT核科学与工程博士学位。其后他获得以1994年诺贝尔奖物理学获得者冠名的橡树岭国家实验室Clifford G. Shull Fellowship，在该国家实验室继续研究生涯。

说明：新闻根据MIT网站2011年8月1日新闻头条编译，原文请见 http://web.mit.edu/newsoffice/2011/heavy-water-0801.html

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