30 年前，一些科學家首次提出了有關水的一種新的相變假說。液態水的許多獨特的異常行為都被認為是這種相變的表現，它區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生。然而，也正是因為發生條件的苛刻，和過程的隱蔽性，確認它的存在一直是一個挑戰。這是因為，在這種低溫條件下，水并 " 不想 " 成為液體，相反，它傾向于迅速結冰。

因此，有關這種相變仍有許多不為人知之處，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，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生在更小的原子和分子長度尺度上的物理現象。

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，了解關于兩種液體的故事。

他們發現，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（也就像椒鹽餅那樣的分子排列方式）或者霍普夫環鏈（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的。相反，低密度液體中的分子大多則會形成簡單的環，因此，其中的分子是不纏結的。

低密度液體（a）和高密度液體（b）兩種液體網絡的代表性概括圖像，（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絡纏結思想的液 - 液相變觀點，發現了在同一網絡形成的物質中存在不同液相的拓撲基礎。

激發新的理論模型

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證明，在傳統的液體局部結構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絡中的結點和鏈接而被發現。沿著瞬態分子鍵的路徑尋找略抽象空間中這種錯綜復雜的現象，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。

研究人員相信，這一新證據將激發基于拓撲概念的新型理論模型。他們設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，重組氫鍵網絡，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。