我們或許都見過這樣的景象——池塘表面結(jié)了一層冰，冰層下依舊是流動(dòng)的液態(tài)水，而天空中則漂浮著由水蒸氣凝結(jié)而成的云朵。

水是一種獨(dú)特的物質(zhì)，它可以在自然環(huán)境中同時(shí)以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)共存。而更令人驚奇的是，水是唯一一種固態(tài)密度低于液態(tài)密度的物質(zhì)——這正是冰能夠漂浮在水面上的原因。

然而，水的奇特性質(zhì)遠(yuǎn)不止于此。一項(xiàng)于近期發(fā)表在《自然·物理》上的研究揭示了水的另一個(gè)特性：在高壓和低溫條件下，液態(tài)水并非只有一種形態(tài)，而是會(huì)分離成兩種不同的液相——一種高密度液態(tài)水，一種低密度液態(tài)水。

兩種不同的液相

對(duì)于大多數(shù)液體而言，分子通常是均勻混合的，不會(huì)自發(fā)分離成不同的相。然而，早在1992年，科學(xué)家們就提出了一個(gè)有趣的理論：在特定的溫度和壓力下，過冷水可能會(huì)分裂成兩種不同的液相，每種液相都具有各自的分子結(jié)構(gòu)和密度。

這一想法最初是基于數(shù)值模擬提出的，然而由于實(shí)驗(yàn)難以直接觀測(cè)，科學(xué)家們一直未能在現(xiàn)實(shí)世界中驗(yàn)證這一現(xiàn)象。不過，過去三十年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，使得科學(xué)家們能夠以前所未有的精度模擬水的行為，從而揭開其隱藏的奧秘。

在最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)先進(jìn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)多體模型（MB-pol）來(lái)進(jìn)行模擬。這一方法基于量子力學(xué)計(jì)算進(jìn)行訓(xùn)練，并結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以前所未有的真實(shí)度重現(xiàn)了水分子之間的相互作用。

讓計(jì)算機(jī)“理解”水

要理解這一模型，我們可以做一個(gè)類比：想象一下，有一個(gè)人單獨(dú)待在房間里，并具有某種特定的行為方式。但當(dāng)有第二個(gè)人進(jìn)入房間時(shí)，第一個(gè)人的行為就會(huì)因?yàn)榈诙€(gè)人的存在而改變。如果再增加第三個(gè)人，他們的互動(dòng)情況又會(huì)進(jìn)一步變化。而當(dāng)房間變得足夠擁擠時(shí)，額外增加一個(gè)人對(duì)整體影響就會(huì)變得越來(lái)越小。

MB-pol模型的工作原理與此類似。在短期內(nèi)，量子力學(xué)效應(yīng)會(huì)直接影響水分子的行為，就像一個(gè)人會(huì)影響另一個(gè)人的行為一樣。然而，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，整體影響會(huì)趨于平均化，就像在已經(jīng)擁擠的房間里再增加一個(gè)人不會(huì)顯著改變其他人的行為一樣。

新的方法不只是一次性計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的總能量，而是將水分子的能量分解為個(gè)體貢獻(xiàn)（多體相互作用），并通過機(jī)器學(xué)習(xí)不斷優(yōu)化，使其能夠在整個(gè)相圖范圍內(nèi)提供高度精準(zhǔn)的水分子模擬。

一般的量子力學(xué)模擬的計(jì)算成本非常高，可能只能計(jì)算5到6個(gè)水分子的能量。但新的方法降低了計(jì)算成本，并實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)精度的計(jì)算。

發(fā)現(xiàn)水的臨界點(diǎn)

研究結(jié)果表明，當(dāng)溫度降至約198 K（-75°C），同時(shí)壓力升高至約1250個(gè)大氣壓時(shí)，液態(tài)水會(huì)發(fā)生劇烈的變化，分離成兩種不同的液相，即高密度和低密度。

在這個(gè)臨界點(diǎn)上，水的密度會(huì)在這兩種狀態(tài)之間來(lái)回振蕩：低于這個(gè)壓力時(shí)，水會(huì)傾向于轉(zhuǎn)變?yōu)榈兔芏纫簯B(tài)相；高于這個(gè)壓力時(shí)，水則會(huì)完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏纫簯B(tài)相。

這種分子尺度上的自發(fā)分離現(xiàn)象，是科學(xué)家們此前從未直接觀察到的，直到現(xiàn)在才得到了最精確的計(jì)算預(yù)測(cè)。

為實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)

為了完成這項(xiàng)研究，科學(xué)家們動(dòng)用了超級(jí)計(jì)算機(jī)，耗費(fèi)了近兩年的不間斷計(jì)算時(shí)間，才得出了這些精確的數(shù)據(jù)。研究人員認(rèn)為，這一成果為科學(xué)家們長(zhǎng)期懷疑但從未直接觀測(cè)到的現(xiàn)象提供了迄今為止最精確的預(yù)測(cè)。

這項(xiàng)研究不僅加深了目前對(duì)水異常行為的理解，還為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。更重要的是，新的模擬結(jié)果表明，液-液臨界點(diǎn)的溫度和壓力范圍，或許適用于納米液滴實(shí)驗(yàn)，從而為直接測(cè)量這一現(xiàn)象提供了新的可能性。

#參考來(lái)源：
https://today.ucsd.edu/story/two-faces-of-liquid-water

https://www.nature.com/articles/s41567-024-02761-0

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Pasesani group./UC San Diego