普林斯顿大学 普林斯顿大学和罗马萨皮恩扎大学的一项新研究为一个有争议的理论提供了强有力的证据，即在非常冷的温度下，水可以以两种不同的液体形式存在，一种比另一种密度小，结构更好
信用:照片由约翰萨拉塔斯，知识共享许可证 水，如此普通，对生命如此重要，其行为方式令科学家们十分困惑
例如，为什么冰的密度比水小，而不是像其他液体结冰时那样漂浮而下沉？ 现在，一项新的研究为一个有争议的理论提供了有力的证据，即在非常冷的温度下，水可以以两种不同的液体形式存在，一种比另一种密度小，结构更好
普林斯顿大学和罗马萨皮恩扎大学的研究人员对水分子进行了计算机模拟，以发现一种液相转变为另一种液相的临界点
这项研究发表在本周的《科学》杂志上
“临界点的存在为水的奇异性提供了一个非常简单的解释，”普林斯顿大学研究学院院长帕布罗·德贝内代蒂说，他是1950届工程和应用科学教授，也是化学和生物工程教授
“临界点的发现相当于为许多使水变得奇怪的事情找到了一个好的、简单的解释，尤其是在低温下
" 水的奇特之处在于，当水冷却时，它会膨胀而不是收缩，这就是为什么冷冻水的密度比液态水小
在较低的温度下，水也变得更易挤压或压缩
它的分子在冷冻时至少有17种排列方式
临界点是一个独特的温度和压力值，在这个值下，物质的两个相变得不可区分，它发生在物质从一个相转变为另一个相之前
德贝内代蒂说，水的奇特之处很容易用临界点的存在来解释
临界点的存在是在远离临界点的物质的性质上感觉到的
在临界点，分子如何表现的可压缩性和其他热力学度量，如热容量，是无限的
使用两种不同的计算方法和两种高度逼真的水的计算机模型，研究小组确定液-液临界点位于大约190至170开氏度(大约-117至-153法伦高度)的范围内，大约是海平面大气压的2000倍
对于研究人员来说，临界点的发现是令人满意的一步，他们参与了数十年的探索，以确定水的不寻常性质的潜在物理解释
几十年前，物理学家理论上认为，将水冷却到冰点以下，同时保持其液体状态——这种“过冷”状态发生在高空云层中——会在足够高的压力下暴露出水的两种独特的液体形式
为了测试这一理论，研究人员求助于计算机模拟
对现实生活中水分子的实验至今还没有提供临界点的明确证据，部分原因是过冷水容易迅速冻结成冰
图一(左):使用两个不同的水的计算机模拟(顶部和底部面板)，研究人员检测到过冷水在两个密度不同的液相之间振荡的密度特征的波动
图乙(右):模拟揭示了两个液相之间的一个临界点，其不同的密度在微观上源于高密度液体中普通中心分子的局部环境中额外水分子的侵入
信用:经PG Debenedetti等许可转载，科学卷369期6501，DOI:10
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abb9796 罗马萨皮恩扎大学的物理学教授弗朗切斯科·西奥尔蒂诺在1992年做博士后研究时，进行了第一次这样的建模研究
这项发表在《自然》杂志上的研究首次提出两种液体形式之间存在临界点
这项新发现让西奥尔蒂诺非常满意，他也是《科学》杂志新研究的合著者
这项新的研究使用了当今更快、更强大的研究计算机和更新、更精确的水模型
即使有今天强大的研究计算机，模拟也需要大约1
5年的计算时间
“你可以想象当我们开始看到临界波动完全按照预期的方式运行时的喜悦，”西奥尔蒂诺说
“现在我可以睡个好觉了，因为25年后，我最初的想法得到了证实
" 在两种液体形式的水的情况下，两相在低于冰点的温度和足够高的压力下以不稳定的平衡共存
随着温度的下降，两种液体相进行一场拉锯战，直到一方胜出，整个液体变得低密度
普林斯顿的博士后研究员居尔·泽泽泽和罗马的西奥尔蒂诺进行了模拟，当他们把温度降低到远低于冰点的过冷范围时，水的密度就像预测的那样剧烈波动
泽泽说，水的一些奇怪行为可能是水赋予生命的特性背后的原因
“生命的液体是水，但是我们仍然不知道为什么水不能被另一种液体所替代
我们认为原因与水的异常行为有关
其他液体没有表现出这些行为，所以这一定与水作为生命的液体有关
" 水的两相出现是因为水分子的形状可以导致两种方式的聚集
在密度较低的液体中，四个分子以一种被称为四面体的几何形状聚集在中心的第五个分子周围
在密度较高的液体中，第六个分子挤入，这具有增加局部密度的效果
该小组在两种不同的水的计算机模型中发现了临界点
对于每个模型，研究人员让水分子接受两种不同的计算方法来寻找临界点
两种方法都找到了一个临界点
彼得·普尔，圣路易斯大学的物理学教授
加拿大弗朗西斯·泽维尔大学是一名研究生，他与西奥尔蒂诺合作，共同撰写了1992年的论文《自然》，他说结果令人满意
“有了这个新的结果，非常令人欣慰，”他说
“自1992年以来，我们经历了漫长的、有时是孤独的等待，才在现实的水模型中看到另一个明确的液-液相变案例
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亚利桑那州立大学董事教授奥斯汀·安吉尔是20世纪70年代过冷水性质实验的先驱之一
“毫无疑问，这是水物理模拟中的一项英勇努力，得出了一个非常有趣且受欢迎的结论，”安吉尔在一封电子邮件中说，他没有参与目前的研究
“作为一个能够接触到真实水的平衡(长期)物理测量的实验主义者，我一直觉得免受计算机模拟器的先发制人是‘安全的’
但是新论文中的数据显示这不再是事实
"
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