有争议的数十年历史的强有力的新证据，该理论解释了水的奇特行为

研究发现了两种液态水之间的临界点。

对生命如此普通而又至关重要的水，其行为方式令科学家颇为困惑。例如，为什么冰不像水那么稠密，而是漂浮而不是像其他液体冻结时那样沉没呢？

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，即在极冷的温度下，水可能以两种不同的液体形式存在，一种形式的密度较小，而结构形式则比另一种形式的更为结构化。

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液相的临界点。该研究发表在本周的科学杂志上。

普林斯顿大学教务长Pablo Debenedetti说，“临界点的存在为水的奇特现象提供了非常简单的解释”，1950年级的工程与应用科学教授，以及化学和生物工程学教授。“发现临界点等同于为使水变得奇怪的许多事物找到一个好的，简单的解释，尤其是在低温下。”

图A（左）：研究人员使用两个截然不同的计算机模拟水（顶部和底部），检测出在密度不同的两个液相之间振荡的过冷水的密度特性的波动。图B（右）：模拟显示了两个液相之间的临界点，由于高密度液体中存在多余的水分子，因此这两个液相的密度不同。

水的怪异之处在于，随着水的冷却，它膨胀而不是收缩，这就是为什么冷冻水比液体水密度低的原因。在较低的温度下，水也变得更易压缩（或可压缩）。冷冻时其分子还可以至少排列17种方式。

临界点是温度和压力的唯一值，在该温度和压力下，物质的两相变得难以区分，并且恰好在物质从一相转变为另一相之前发生。

Debenedetti说，临界点的存在很容易解释水的怪异。在物质的性质上感觉到临界点的位置与临界点本身相距很远。在临界点，分子行为的可压缩性和其他热力学度量（例如热容量）是无限的。

研究小组使用两种不同的计算方法和两种高度逼真的水模型，确定液-液临界点在大约190至170开氏度（约-117至-153华氏度）的范围内，约为2000倍海平面上的大气压。

对于参与数十年探索的研究人员来说，发现临界点是令人满意的一步，它可以确定水的不寻常特性的根本物理解释。几十年前，物理学家提出理论，将水冷却至低于冰点的温度，同时保持液态（一种在高空云中出现的“过冷”状态），可以在足够高的压力下使水的两种独特液体形式暴露出来。

为了验证该理论，研究人员转向了计算机模拟。到目前为止，使用现实生活中的水分子进行的实验还没有提供明确的临界点证据，部分原因是过冷水倾向于迅速冻结成冰。

罗马Sapienza大学的物理学教授Francesco Sciortino于1992年担任博士后研究员，进行了最早的此类建模研究之一。该研究发表在《自然》杂志上，是第一个提出两种液体形式之间存在临界点的研究。

这项新发现令Sciortino非常满意，他也是《科学》新研究的合著者。这项新研究使用了当今更快，更强大的研究计算机以及更新，更准确的水模型。即使使用当今功能强大的研究计算机，仿真过程也需要花费大约1.5年的时间。

Sciortino说：“当我们开始看到临界波动正好按照预期的方式运行时，您可以想象到喜悦。”“现在我可以睡个好觉了，因为25年后，我的初衷已经得到证实。”

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不平衡地共存。随着温度下降，两种液相进行拔河，直到一场胜利，整个液体变成低密度。

在罗马的普林斯顿大学和Sciortino的博士后研究员GülZerze进行的模拟中，当他们将温度降低到远低于冰点的温度到过冷范围时，水的密度就如预期的那样剧烈波动。

泽尔泽说，水的某些奇怪行为很可能是由于水赋予生命的特性所致。“生命的流体是水，但是我们仍然不知道为什么水不能被另一种液体代替。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，因此必须将其与作为生命液体的水联系起来。”

之所以会出现水的两相，是因为水分子的形状会导致两种堆积方式。在较低密度的液体中，四个分子以称为四面体的几何形状围绕中心第五个分子聚集。在较高密度的液体中，第六个分子挤入其中，这具有增加局部密度的作用。

该团队在两种不同的水模型中检测到了临界点。对于每种模型，研究人员对水分子进行两种不同的计算方法以寻找临界点。两种方法都找到了关键点。

彼得·普尔（Peter Poole）是加拿大圣弗朗西斯·泽维尔大学（University of Francis Xavier University）的物理学教授，当他与Sciortino合作并于1992年在《自然》（Nature）上合着时为研究生。他说：“获得这一新结果令人非常欣慰。”“自1992年以来，在现实的水模型中看到另一个明确的液-液相转变案例，这是一个漫长的，有时是孤独的等待。”

亚利桑那州立大学摄政教授C. Austen Angell是1970年代有关过冷水性质的实验的先驱之一。“毫无疑问，这是在水物理学模拟中的一项英勇尝试，得出了非常有趣且令人欢迎的结论，”未参与本研究的安杰尔在一封电子邮件中说。“作为一名能够在真实水上获得平衡（长期）物理测量结果的实验​​者，我一直感到计算机模拟器抢占先机是'安全的'。但是新论文中提供的数据表明，这不再是事实。”

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这项由Pablo G. Debenedetti，Francesco Sciortino和GülZerze撰写的“两种现实水模型中的第二个临界点”发表在7月17日的《科学》杂志上。DOI：10.1126 / science.abb9796。

这些模拟是在普林斯顿研究计算公司（由普林斯顿计算科学与工程学院（PICSciE）和信息技术办公室的高性能计算中心和普林斯顿大学的可视化实验室）组成的财团进行的，并由管理和支持的计算资源罗马萨皮恩扎大学物理系。美国国家科学基金会（CHE-1856704资助）为这项研究提供了支持。