30 年前，一些科學家首次提出了有關(guān)水的一種新的相變假說。液態(tài)水的許多獨特的異常行為都被認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，這種相變被稱為液 - 液相變（LLPT）。

理論認為，液 - 液相變是一種難以察覺的神秘過程，在低溫條件下才會發(fā)生。然而，也正是因為發(fā)生條件的苛刻，和過程的隱蔽性，確認它的存在一直是一個挑戰(zhàn)。這是因為，在這種低溫條件下，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，一項發(fā)表在《自然 · 物理》上的新論文，為這個長達 30 年的問題提供了新的證據(jù)，在證實液 - 液相變觀點的方面邁出了重要一步。

液 - 液相變的模擬

在新研究中，團隊利用計算機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，還有兩個被廣泛使用的水的分子模型。

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

可以這么理解，水的膠體模型實際上為分子水提供了一個放大鏡，讓科學家能夠真正揭開水的秘密，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，它們被認為是 "拓撲復雜" 的，比如三葉結(jié)（也就像椒鹽餅那樣的分子排列方式）或者霍普夫環(huán)鏈（就像鋼鏈中的兩個連接方式）。換句話說，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形成簡單的環(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撲復雜的排列。（圖／Neophytou, A. et al., 2022）

這一見解帶來了一種全新的觀點。基于模擬，團隊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，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撲基礎(chǔ)。

激發(fā)新的理論模型

這項精妙的計算研究極大地豐富并加深了我們對水的物理現(xiàn)象的理解。研究為水建立了可用于實驗的簡潔的膠體模型，為液體的大規(guī)模研究打開了全新的視角。

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，反而很容易通過追蹤液體的鍵網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點和鏈接而被發(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綜復雜的現(xiàn)象，是一種非常有效的想法，它很可能會被廣泛用于研究復雜的分子系統(tǒng)。

研究人員相信，這一新證據(jù)將激發(fā)基于拓撲概念的新型理論模型。他們設(shè)計的模型也將為新的實驗鋪平道路。這類實驗終將驗證理論猜想，并將纏結(jié)液體的概念進一步推廣到其他液體中，比如硅。

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

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。這項研究和模擬正向著這個夢想邁出重要一步。