深海发现“第四种相”：物质不仅仅是固态、液态和气态
物质的“第四相”？
将水变成冰块并不稀奇，但如果把类似水的液体变成既像水又像气的状态呢？不知道你是否见过这种奇妙的物质，科学家们却在深海中发现了这种“第四种相”。这种奇妙的物质如同文章开头所描述的那样，很难将其定义为某一种相态。近年，我国在西太平洋深处的一个深海热液区中发现了这种物质。这种“无相”物质是超临界状态的二氧化碳，这是全球首次在自然界中发现超临界二氧化碳。
海底热泉
这一发现引起了科学界的广泛关注。为什么二氧化碳会出现这种形态？所谓的超临界状态又是什么？为什么它的发现为地球演化提供了新的思路？本文将对这些问题进行基本阐述，同时也会详细讨论超临界流体。
相态转变
首先，我们来梳理一下物质的三种相态：液态、气态和固态是物质的基本相态，这是常识。但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，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。它能够像气体一样从多孔的固体中流出，同时克服了液体在质量传递中的限制，使得超临界流体在材料传输方面远优于气体、溶剂化液体或固体材料。
超临界状态与超临界流体
超临界流体最神奇的地方在于它没有表面张力，因为没有液相和气相的明确分界。只需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，但接近临界点时，密度会随着温度的轻微升高急剧下降。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。
金星
在天文学研究中，科学家们发现超临界流体广泛存在于各类天体中，比如我们熟知的金星。金星的大气由96.5%的二氧化碳和3.5%的氮气组成，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超临界流体的状态。这种现象同样出现在一些大型气态行星上，比如木星和土星。木星和土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。
石油开采
在地球上，超临界流体也很常见。比如石油行业的开采，大部分石油开采点都有气藏，基本处于超临界点。甲烷的临界压力在4.6兆帕，临界温度在零下83度左右，因此甲烷形成超临界流体较为容易。地层温度和压力处于超临界区的底部，并且靠近气相区，但这也不是绝对的。根据前面所讲的超临界流体的变化特征，甲烷在开采过程中可能会呈现油藏、气液状态、接近于挥发油或凝析气。这些变化需要看具体的温度和压力变化差异才能得知。
超临界流体引导生命转变？
为什么二氧化碳的超临界流体引起了科学家们的注意？这个问题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。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。但这种环境在自然界中极为罕见，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和深海的压力作用，使得二氧化碳有机会形成这种状态。
地球结构
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称为“黑烟囱”。西太平洋深海底部的热液流体中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。
海底热液区示意图
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，有一个假说认为地球的原始大气来源于深海热液系统。黄石公园的大棱镜温泉，其中的浅颜色为嗜热菌所形成。远古时期的嗜热菌可能是所有生物的祖先。但这种假说缺乏证据，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，因此推测这其中可能存在有机物。如果研究进一步成立，这极有可能在未来改变人们对生命起源的认知。
实际应用
在实际生活中，超临界流体的应用也不少。比如干洗店里的超临界二氧化碳。干洗衣物如果在可溶于二氧化碳的去污剂中加入这种超临界流体，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。在各类化工产业和加工业中也会使用超临界流体。
总结
超临界状态流体到底是哪种相态呢？严格来说，这种流体实际上是较为稳定的处于一个单相相区，它不属于任何一种相态，但又接近于三相中的某种。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。
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