我們或許都見過這樣的景象——池塘表面結了一層冰，冰層下依舊是流動的液態水，而天空中則漂浮着由水蒸氣凝結而成的雲朵。
水是一種獨特的物質，它可以在自然環境中同時以固態、液態和氣態共存。而更令人驚奇的是，水是唯一一種固態密度低於液態密度的物質——這正是冰能夠漂浮在水面上的原因。
然而，水的奇特性質遠不止於此。一項於近期發表在《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，液態水並非只有一種形態，而是會分離成兩種不同的液相——一種高密度液態水，一種低密度液態水。
兩種不同的液相
對於大多數液體而言，分子通常是均勻混合的，不會自發分離成不同的相。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構和密度。
這一想法最初是基於數值模擬提出的，然而由於實驗難以直接觀測，科學家們一直未能在現實世界中驗證這一現象。不過，過去三十年來，計算機技術的飛躍發展，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，研究團隊開發了一個先進的數據驅動多體模型（MB-pol）來進行模擬。這一方法基於量子力學計算進行訓練，並結合了機器學習技術，以前所未有的真實度重現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：想像一下，有一個人單獨待在房間里，並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，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，當系統達到一定規模時，整體影響會趨於平均化，就像在已經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），並通過機器學習不斷優化，使其能夠在整個相圖範圍內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，並實現了微秒級精度的計算。
發現水的臨界點
研究結果表明，當溫度降至約198 K（-75°C），同時壓力升高至約1250個大氣壓時，液態水會發生劇烈的變化，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之間來回振蕩：低於這個壓力時，水會傾向於轉變為低密度液態相；高於這個壓力時，水則會完全轉變為高密度液態相。
這種分子尺度上的自發分離現象，是科學家們此前從未直接觀察到的，直到現在才得到了最精確的計算預測。
為實驗奠定基礎
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據。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。更重要的是，新的模擬結果表明，液-液臨界點的溫度和壓力範圍，或許適用於納米液滴實驗，從而為直接測量這一現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
封面圖&首圖來源：Pasesani group./UC San Diego
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