MIT网站头条致敬，张杨优美把戏揭开水之奥妙 - USTC版

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USTC版 - MIT网站头条致敬，张杨优美把戏揭开水之奥妙

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j****u
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新闻与照片请见：http://www.ustcif.org/default.php/content/1144/
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，原文请见这里。

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