來源：原理

水，影響着我們生活的方方面面。它塑造了我們居住的自然環境，在我們所知的衆多生命所必需的主要物理和化學過程中，扮演中至關重要的角色。水是如此普通，又如此必不可少。然而，有太多與水有關的奇特奧祕，都隱藏在它樸實無華的外表之下。

水有着許多在本質上有別於其他大多數物質的物理特性，其中一些至今困擾着科學家。例如，爲什麼水在凍結成冰時，體積會膨脹而不是收縮？爲什麼水在被壓縮時，粘性會降低？以及爲什麼水可以擁有至少17中不同的晶相……

要如何解釋這些奇怪的現象？科學家對這些問題已經研究了數十年。1992年，意大利物理學家Francesco Sciortino首次提出了一種理論，他認爲在非常低的溫度下，水能以兩種不同的液體形式存在，其中一種的密度比另一種更小；且在這樣兩種不同的液相之間，存在一個臨界點。

這一開創性的想法被髮表在了當時的《自然》雜誌上，然而卻一直備受爭議。因爲一直以來，沒有人在實驗中發現過這種臨界點存在的跡象。直到現在，一項新的研究爲這種理論提供了強有力的證據，研究結果被刊登在了最近的《科學》雜誌上。

在新的研究中，研究人員對兩種不同的水的模型進行了分析和研究，這兩種模型分別爲TIP4P/2005和TIP4P/Ice。爲了尋找水的“液-液”臨界點，研究人員針對兩個模型分別使用了兩種不同的計算方法。而這兩種方法都顯示出了一個處於亞穩態的液-液臨界點。

新研究中所建立的模型可以非常精準地描述水的真實行爲。然而，運行這樣一個模型是非常耗時的，即使研究人員使用的是功能十分強大的計算機進行模擬，他們也耗費了大約1.5年的計算時間才得出了這一結果。從這兩個模型來看，當壓強大約是海平面大氣壓的2000倍時，水的液-液臨界點分別爲172開爾文（TIP4P/2005）和188.6開爾文（TIP4P/Ice），或者說分別爲-101℃和-84.5℃。他們相信，這一發現是持續了數十年的爲了尋找水的異常性質背後的基本物理原因的重大突破。

最早提出了這一假設的Sciortino也是這項新研究的合著者之一。對於新的發現，他表示他感到無比欣慰。他說：“你可以想象當我們開始看到臨界波動完全按照預期的方式運行時的喜悅。現在我終於可以睡個好覺了，因爲在25年之後，我最初的想法終於得到了證實。”

幾十年前，他提出當水被冷卻到低於冰點的溫度，並同時維持液體狀態（一種在高空雲層中出現的“過冷”狀態）時，那麼在壓強足夠高的情況下，水會顯現出兩種獨特的液體形式。但是由於過冷的水有迅速凍結成冰的趨勢，因此這一現象難以在實驗中實現。而在新研究中出現的液-液臨界點，是Sciortino漫長而孤獨的等待過程中的火光。

現在，研究人員可以在模擬中明確地看到，當水的溫度被降低到低於冰點的過冷範圍時，水的密度正如預測的那樣劇烈波動。這兩種相在低於冰點的溫度和足夠高的壓力下共存於一種不穩定的平衡中。當溫度繼續下降，兩種液相就會相互拉扯，直到其中一方勝出，接着整個液體的密度都會變成低。

水之所以可以同時存在兩種液相，是因爲水分子的形狀能以兩種形式的結合。在密度較低的液相中，四個水分子會聚集在一個位處中間的第五個水分子周圍，形成一個四面體的幾何形狀；在密度較高的液相中，則還會有第六個分子會擠進來，從而增加了局部密度。

對於水的奇怪特性的研究已經持續了數十年。水是生命的液體，我們好奇於對於生命來說，爲什麼水是如此的不可替代。有科學家認爲，水之所以能成爲生命的源泉，或許與它的那些異常行爲有關，因爲這些是其他液體所不具備的。而這類對水的奇異特性的研究，或許有天能爲我們理解生命的起源帶來新的見解。