30 年前，一些科學(xué)家首次提出了有關(guān)水的一種新的相變假說(shuō)。液態(tài)水的許多獨(dú)特的異常行為都被認(rèn)為是這種相變的表現(xiàn)，它區(qū)分的是水的兩種液相，即低密度液體（LDL）和高密度液體（HDL）。因此，這種相變被稱(chēng)為液 - 液相變（LLPT）。

理論認(rèn)為，液 - 液相變是一種難以察覺(jué)的神秘過(guò)程，在低溫條件下才會(huì)發(fā)生。然而，也正是因?yàn)榘l(fā)生條件的苛刻，和過(guò)程的隱蔽性，確認(rèn)它的存在一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。這是因?yàn)椋谶@種低溫條件下，水并 " 不想 " 成為液體，相反，它傾向于迅速結(jié)冰。

因此，有關(guān)這種相變?nèi)杂性S多不為人知之處，它與常見(jiàn)的水在固相或氣相和液相之間的相變的例子截然不同。

近日，一項(xiàng)發(fā)表在《自然 · 物理》上的新論文，為這個(gè)長(zhǎng)達(dá) 30 年的問(wèn)題提供了新的證據(jù)，在證實(shí)液 - 液相變觀點(diǎn)的方面邁出了重要一步。

液 - 液相變的模擬

在新研究中，團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)模擬幫助解釋在微觀層面上區(qū)分這兩種液體的特征是什么。模擬使用了水的膠體模型，還有兩個(gè)被廣泛使用的水的分子模型。

膠體是一種可以比單個(gè)水分子大上一千倍的顆粒。憑借它相對(duì)較大的尺寸，以及更緩慢的運(yùn)動(dòng)，膠體可以被用來(lái)觀察和理解發(fā)生在更小的原子和分子長(zhǎng)度尺度上的物理現(xiàn)象。

可以這么理解，水的膠體模型實(shí)際上為分子水提供了一個(gè)放大鏡，讓科學(xué)家能夠真正揭開(kāi)水的秘密，了解關(guān)于兩種液體的故事。

他們發(fā)現(xiàn)，高密度液體中的水分子形成了一些特殊的排列，它們被認(rèn)為是 "拓?fù)鋸?fù)雜" 的，比如三葉結(jié)（也就像椒鹽餅?zāi)菢拥姆肿优帕蟹绞剑┗蛘呋羝辗颦h(huán)鏈（就像鋼鏈中的兩個(gè)連接方式）。換句話(huà)說(shuō)，高密度液體中的分子是纏結(jié)的。相反，低密度液體中的分子大多則會(huì)形成簡(jiǎn)單的環(huán)，因此，其中的分子是不纏結(jié)的。

低密度液體（a）和高密度液體（b）兩種液體網(wǎng)絡(luò)的代表性概括圖像，（c）表示高密度液體中拓?fù)鋸?fù)雜的排列。（圖／Neophytou, A. et al., 2022）

這一見(jiàn)解帶來(lái)了一種全新的觀點(diǎn)。基于模擬，團(tuán)隊(duì)首次提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)纏結(jié)思想的液 - 液相變觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了在同一網(wǎng)絡(luò)形成的物質(zhì)中存在不同液相的拓?fù)浠A(chǔ)。

激發(fā)新的理論模型

這項(xiàng)精妙的計(jì)算研究極大地豐富并加深了我們對(duì)水的物理現(xiàn)象的理解。研究為水建立了可用于實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)潔的膠體模型，為液體的大規(guī)模研究打開(kāi)了全新的視角。

除此之外，研究人員還提供了非常有力的證據(jù)證明，在傳統(tǒng)的液體局部結(jié)構(gòu)分析中可能難以捉摸的相變，反而很容易通過(guò)追蹤液體的鍵網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)和鏈接而被發(fā)現(xiàn)。沿著瞬態(tài)分子鍵的路徑尋找略抽象空間中這種錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象，是一種非常有效的想法，它很可能會(huì)被廣泛用于研究復(fù)雜的分子系統(tǒng)。

研究人員相信，這一新證據(jù)將激發(fā)基于拓?fù)涓拍畹男滦屠碚撃Ｐ汀Ｋ麄冊(cè)O(shè)計(jì)的模型也將為新的實(shí)驗(yàn)鋪平道路。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)終將驗(yàn)證理論猜想，并將纏結(jié)液體的概念進(jìn)一步推廣到其他液體中，比如硅。

研究作者之一、物理學(xué)家弗朗西斯科 · 西奧蒂諾（Francesco Sciortino）表示，水的秘密正在一個(gè)接一個(gè)地被揭開(kāi)。

想象一下，如果有朝一日我們能看到液體的內(nèi)部，觀察水分子的舞蹈，它們顫動(dòng)的方式，以及它們交換 " 伙伴 " 的方式，重組氫鍵網(wǎng)絡(luò)，那將是多么美麗。這項(xiàng)研究和模擬正向著這個(gè)夢(mèng)想邁出重要一步。