30年前，一些科学家首次提出了有关水的一种新的相变假说。他们发现，高密度液体中的水分子形成了一些特殊的排列，它们被认为是“拓扑复杂”的，比如三叶结或者霍普夫环链。低密度液体和高密度液体两种液体网络的代表性概括图像，表示高密度液体中拓扑复杂的排列。研究人员相信，这一新证据将激发基于拓扑概念的新型理论模型。这项研究和模拟正向着这个梦想迈出重要一步。
30年前，一些科学家首次提出了有关水的一种新的相变假说。液态水的许多独特的异常行为都被认为是这种相变的表现，它区分的是水的两种液相，即低密度液体（LDL）和高密度液体（HDL）。因此，这种相变被称为液-液相变（LLPT）。
理论认为，液-液相变是一种难以察觉的神秘过程，在低温条件下才会发生。然而，也正是因为发生条件的苛刻，和过程的隐蔽性，确认它的存在一直是一个挑战。这是因为，在这种低温条件下，水并“不想”成为液体，相反，它倾向于迅速结冰。
因此，有关这种相变仍有许多不为人知之处，它与常见的水在固相或气相和液相之间的相变的例子截然不同。
近日，一项发表在《自然·物理》上的新论文，为这个长达30年的问题提供了新的证据，在证实液-液相变观点的方面迈出了重要一步。
液-液相变的模拟
在新研究中，团队利用计算机模拟帮助解释在微观层面上区分这两种液体的特征是什么。模拟使用了水的胶体模型，还有两个被广泛使用的水的分子模型。
胶体是一种可以比单个水分子大上一千倍的颗粒。凭借它相对较大的尺寸，以及更缓慢的运动，胶体可以被用来观察和理解发生在更小的原子和分子长度尺度上的物理现象。
可以这么理解，水的胶体模型实际上为分子水提供了一个放大镜，让科学家能够真正揭开水的秘密，了解关于两种液体的故事。
他们发现，高密度液体中的水分子形成了一些特殊的排列，它们被认为是“拓扑复杂”的，比如三叶结（也就像椒盐饼那样的分子排列方式）或者霍普夫环链（就像钢链中的两个连接方式）。换句话说，高密度液体中的分子是缠结的。相反，低密度液体中的分子大多则会形成简单的环，因此，其中的分子是不缠结的。
低密度液体（a）和高密度液体（b）两种液体网络的代表性概括图像，（c）表示高密度液体中拓扑复杂的排列。（图／Neophytou, A. et al., 2022）
这一见解带来了一种全新的观点。基于模拟，团队首次提出了一种基于网络缠结思想的液-液相变观点，发现了在同一网络形成的物质中存在不同液相的拓扑基础。
激发新的理论模型
这项精妙的计算研究极大地丰富并加深了我们对水的物理现象的理解。研究为水建立了可用于实验的简洁的胶体模型，为液体的大规模研究打开了全新的视角。
除此之外，研究人员还提供了非常有力的证据证明，在传统的液体局部结构分析中可能难以捉摸的相变，反而很容易通过追踪液体的键网络中的结点和链接而被发现。沿着瞬态分子键的路径寻找略抽象空间中这种错综复杂的现象，是一种非常有效的想法，它很可能会被广泛用于研究复杂的分子系统。
研究人员相信，这一新证据将激发基于拓扑概念的新型理论模型。他们设计的模型也将为新的实验铺平道路。这类实验终将验证理论猜想，并将缠结液体的概念进一步推广到其他液体中，比如硅。
研究作者之一、物理学家弗朗西斯科·西奥蒂诺（Francesco Sciortino）表示，水的秘密正在一个接一个地被揭开。
想象一下，如果有朝一日我们能看到液体的内部，观察水分子的舞蹈，它们颤动的方式，以及它们交换“伙伴”的方式，重组氢键网络，那将是多么美丽。这项研究和模拟正向着这个梦想迈出重要一步。
参考来源：
https://www.birmingham.ac.uk/news/2022/new-evidence-shows-water-separates-into-two-different-liquids-at-low-temperatures
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01698-6
封面图/首图：Rahul, Pixahive, CC0
