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。
水是一種獨特的物質(zhì)，它可以在自然環(huán)境中同時以固態(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)遠不止于此。一項于近期發(fā)表在《自然·物理》上的研究揭示了水的另一個特性：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
對于大多數(shù)液體而言，分子通常是均勻混合的，不會自發(fā)分離成不同的相。然而，早在1992年，科學家們就提出了一個有趣的理論：在特定的溫度和壓力下，過冷水可能會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，然而由于實驗難以直接觀測，科學家們一直未能在現(xiàn)實世界中驗證這一現(xiàn)象。不過，過去三十年來，計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展，使得科學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，研究團隊開發(fā)了一個先進的數(shù)據(jù)驅(qū)動多體模型（MB-pol）來進行模擬。這一方法基于量子力學計算進行訓練，并結(jié)合了機器學習技術(shù)，以前所未有的真實度重現(xiàn)了水分子之間的相互作用。
讓計算機“理解”水
要理解這一模型，我們可以做一個類比：想象一下，有一個人單獨待在房間里，并具有某種特定的行為方式。但當有第二個人進入房間時，第一個人的行為就會因為第二個人的存在而改變。如果再增加第三個人，他們的互動情況又會進一步變化。而當房間變得足夠擁擠時，額外增加一個人對整體影響就會變得越來越小。
MB-pol模型的工作原理與此類似。在短期內(nèi)，量子力學效應會直接影響水分子的行為，就像一個人會影響另一個人的行為一樣。然而，當系統(tǒng)達到一定規(guī)模時，整體影響會趨于平均化，就像在已經(jīng)擁擠的房間里再增加一個人不會顯著改變其他人的行為一樣。
新的方法不只是一次性計算整個系統(tǒng)的總能量，而是將水分子的能量分解為個體貢獻（多體相互作用），并通過機器學習不斷優(yōu)化，使其能夠在整個相圖范圍內(nèi)提供高度精準的水分子模擬。
一般的量子力學模擬的計算成本非常高，可能只能計算5到6個水分子的能量。但新的方法降低了計算成本，并實現(xiàn)了微秒級精度的計算。
發(fā)現(xiàn)水的臨界點
研究結(jié)果表明，當溫度降至約198 K（-75°C），同時壓力升高至約1250個大氣壓時，液態(tài)水會發(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。
在這個臨界點上，水的密度會在這兩種狀態(tài)之間來回振蕩：低于這個壓力時，水會傾向于轉(zhuǎn)變?yōu)榈兔芏纫簯B(tài)相；高于這個壓力時，水則會完全轉(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算預測。
為實驗奠定基礎(chǔ)
為了完成這項研究，科學家們動用了超級計算機，耗費了近兩年的不間斷計算時間，才得出了這些精確的數(shù)據(jù)。研究人員認為，這一成果為科學家們長期懷疑但從未直接觀測到的現(xiàn)象提供了迄今為止最精確的預測。
這項研究不僅加深了目前對水異常行為的理解，還為實驗驗證提供了堅實的基礎(chǔ)。更重要的是，新的模擬結(jié)果表明，液-液臨界點的溫度和壓力范圍，或許適用于納米液滴實驗，從而為直接測量這一現(xiàn)象提供了新的可能性。
#參考來源：
https://today.ucsd.edu/story/two-faces-of-liquid-water
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02761-0
#圖片來源：
封面圖&首圖：Pasesani group./UC San Diego
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