水的雙液態形態終獲證實：深度神經網路揭示液-液臨界點

科學家首次利用深度神經網路，成功繪製出水的「液-液臨界點」相圖，證實水在極端低溫高壓下可同時存在兩種不同液態形式。這項發現不僅解開了科學界長達 30 年的謎團，也為未來的實驗驗證提供了新方向。

水因其異常的物理特性而備受關注，例如冰比水輕、液態水在4°C 時最密等現象。科學家早在 1992年便提出假說，認為水在超低溫（低於 -38°C）和高壓環境中，會出現「液-液相變」現象，即高密度液態（HDL）和低密度液態（LDL）兩種形式。然而，由於水在該溫度下容易迅速結冰，使得實驗驗證困難重重。

為了解決這一難題，羅馬薩皮恩扎大學（Sapienza University of Rome）和加州大學聖地牙哥分校（University of California San Diego）的研究團隊，結合了 MB-pol 多體勢模型與深度神經網路（DNN@MB-pol），進行了長達數微秒的分子動力學模擬。他們模擬了 188 K（-85°C）到 368 K（95°C）之間 280 種不同狀態下的水分子行為，最終發現水在 -85°C、101.3 MPa 壓力下，會在高密度與低密度液態間自發轉換，證實了液-液一階相變現象的存在。

水在 -85°C、101.3 MPa 壓力下，證實液-液一階相變現象

更重要的是，這次模擬所得的臨界點壓力較以往預測值低，推測約在 198 K（-75°C）和 126.7 MPa 下出現，意味著未來有機會透過精密控制的奈米水滴進行實驗驗證。研究人員建議，利用中子散射和 X 射線散射技術，觀察奈米水滴中的結構特徵，或以時間解析光譜追蹤兩種液態形式間的轉換動態，以進一步驗證這一現象。

這項突破不僅解釋了水的異常性質，還可能對氣候模型、天體物理學、細胞過程以及能源儲存和水處理技術產生深遠影響。

研究結果已發表於《Nature Physics》期刊。

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首圖來源：F. Sciortino et al (CC BY 4.0)

圖片來源：Nature Physics (CC BY 4.0)

參考論文：
Constraints on the location of the liquid–liquid critical point in waterNature Physics

延伸閱讀：
1、美國科學家打破溫度記錄，讓「非常冷」的水仍然能夠保持液態