水對我們每個人來說是太普遍而且太重要了，它是我們生命存在的源泉。水會結冰，這看起來很簡單也司空見慣。可是水結冰的奇異行為，卻迷惑了物理學家數十年：為什麼冰的密度小於水？其他液體凍結時會沉沒，為什麼冰卻會漂浮？科學家們過去提出了一些有爭議的理論，但一直缺乏有力的證據。
普林斯頓大學的一項新的研究，為有爭議的理論提供了有力的證據，即在非常冷的溫度下，水以兩種不同的液體形式存在，一種形式的密度較小，而結構形式卻比另一種形式的更為緊湊。研究人員通過對水分子進行了計算機模擬，以發現一種液相轉變為另一液相的臨界點。該研究發表在本周的《科學》雜誌上。
普林斯頓大學的教務長、1950年來的工程和應用科學系教授、化學和生物工程學教授、巴勃羅-德貝內蒂（Pablo Debenedetti）說：「臨界點的存在為水的奇異特性提供了非常簡單的解釋。」 「發現臨界點等同於為使水變得奇怪的許多事物找到一個好的、簡單的解釋，尤其是在低溫下。」
水的奇特之處在於，隨著水的冷卻，它膨脹而不是收縮，這就是為什麼冷凍水比液體水密度低的原因。在較低的溫度下，水也變得更易壓縮或可壓縮，冷凍時其分子還可以有至少17種排列方式。
臨界點是溫度和壓力的一個唯一值，在該溫度和壓力下，物質的兩相變得無法區分，並且恰好在物質從一相轉變為另一相之前發生。
德貝內蒂說，臨界點的存在很容易解釋水的怪異。在物質的性質上感覺到臨界點的位置離臨界點本身很遠。在關鍵時刻，分子行為的可壓縮性和其他熱力學度量（例如熱容量）是無限的。
該團隊使用兩種不同的計算方法和兩種高度逼真的水模型，確定液體-液體臨界點在大約190至170開氏度（約-83至--103°C攝氏度）的範圍內，約為2000倍海平面上的大氣壓。
對於參與數十年探索的研究人員來說，確定臨界點是令人滿意的步驟，以確定對水的異常性質的根本物理解釋。幾十年前，物理學家提出理論，將水冷卻到低於冰點的溫度，同時將其保持為液體，一種在高空雲中出現的「過冷」狀態，將在足夠高的壓力下暴露水的兩種獨特的液體形式。
為了驗證該理論，研究人員轉向了計算機模擬。到目前為止，使用現實生活中的水分子進行的實驗難以提供明確的臨界點證據，部分原因是過冷的水有迅速結冰的趨勢。
如下圖所示圖A（左）：使用兩個不同的水模擬計算機（上面板和下面板），研究人員檢測到了在密度不同的兩個液相之間振蕩的過冷水的密度特性的波動。圖B（右）：模擬顯示了兩個液相之間的臨界點，其微觀密度不同是微觀上起源於高密度液體中通用中心分子局部環境中額外水分子的侵入。
這項新研究使用了當今更快、更強大的研究計算機以及更新、更準確的水模型。即使使用了當今功能極為強大的研究計算機，該研究模擬也花費了大約一年半的計算時間。
研究人員說：「當我們開始看到臨界波動正好按照預期的方式運行時，可以想像是很喜悅的。」 「現在我們可以睡個好覺了，因為經過25年的努力，我們的最初想法終於得到確認。」
在兩種液體形式的水的情況下，兩相在低於冰點的溫度和足夠高的壓力下不平衡地共存。隨著溫度下降，兩種液相進行拔河，直到一場勝利，整個液體變成低密度。
在研究人員進行的模擬中，當他們將溫度降低到遠低於冰點的溫度到過冷範圍時，水的密度就如預期的那樣劇烈波動。
研究人員說，水的某些奇怪行為可能是水賦予生命的特性的背景。 「生命的流體是水，但是我們仍然不知道為什麼水不能被另一種液體替代。我們認為原因與水的異常行為有關。其他液體沒有表現出這些行為，因此必須與作為生命液體的水聯繫起來。」
之所以出現水的兩相，是因為水分子的形狀會導致兩種堆積方式。在較低密度的液體中，四個分子以稱為四面體的幾何形狀圍繞中心第五個分子聚集。在較高密度的液體中，第六個分子被擠壓，這具有增加局部密度的作用。
該團隊在兩種不同的水模型中檢測到了臨界點。對於每種模型，研究人員對水分子進行兩種不同的計算方法以尋找臨界點。兩種方法都找到了關鍵點。
1970年代有關過冷水性質的實驗的先驅之一、亞利桑那大學教授、C. Austen Angell評價說，毫無疑問，這是在水物理學（water physics）模擬中的一項英勇嘗試，得出了非常有趣和頗受歡迎的結論，」 「作為一名能夠獲得對真實水進行長期物理測量的實驗學家，我一直感到計算機模擬器能夠搶佔「安全的」先機。」
參考：Second critical point in two realistic models of water, Science (2020). DOI: 10.1126/science.abb9796量子認知 | 簡介科學新知識，敬請熱心來關注。