水在低溫下分離成兩種液體，是分子網絡中的“結”在作祟
兩種液體密度不同
Pine 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
看上去都是液態(tài)的水，遇上低溫，可能就算不上是同一種液體了。
怎么說？
現在，有項新的研究表明，在低溫的狀態(tài)下，水會有兩種狀態(tài)，它們在排列方式上有很大的不同。
目前，這項已經發(fā)表在Nature子刊——《自然物理學》雜志上。
作為不遵守熱脹冷縮原理的“異類”，水在液態(tài)下會有一些奇特的轉變。
一般來說，3.98°C是液體水的一個特殊溫度，在這個溫度下，水的密度處于一個最大值。
而水分離成兩種不同的液體恰恰是在這樣的低溫下。
此時，水會分離成兩種不同密度的液體，一種為高密度水（HDL），另一種為低密度水（LDL）。
這兩種液體之間可以相互轉換，一般稱之為液-液相轉變（LLPT），轉變的點稱作液-液臨界點（LLCP）。
但這其中是一個怎樣的轉變過程，水是怎樣從低密度變成高密度的？
當然，通過肉眼肯定觀察不出來這其中的區(qū)別，還得需要從微觀狀態(tài)來探索。
為此，研究人員建立了相應的模型，并對此進行模擬。
水中的鏈與結
首先要先建立一個模型，因為膠體是比單個水分子大一千倍的粒子，尺寸相對較大，運動速度較慢，可以很好地觀察和理解同樣發(fā)生在小得多的原子和分子尺度上的物理現象。
因此，研究人員建立了膠體水模型來進行研究。
他們設計了一種水的膠狀類似物：三塊斑狀粒子，充分將水的四面體性考慮在內。
具體來說，就是將標記為A、B補丁的能量學和幾何學信息編碼到粒子中。
其中能量學用來促進形成離散的四面體簇，由強A-A之間的相互作用驅動，然后通過較弱的B-B相互作用形成四面體網絡流體。
之后，再對膠體模型進行“水的熱力學異?！彬炞C，證實其存在液-液臨界點（LLCP）。
證實之后，水的膠體模型就已經建立好了，接下來就要模擬低溫狀態(tài)的低密度水和高密度水。
在模擬得到的模型網絡圖中，可以很直觀地看到，低密度水中不存在環(huán)結構，而在高密度水中，則存在大量的三葉結、Hopf鏈等環(huán)結構。
并且除了這些結和鏈，在高密度水網絡還有很多打結的θ曲線，可以被視為兩個糾纏的融合環(huán)（即共享至少兩個頂點的環(huán)，圖c）。
因此，便可以初步證明，在微觀狀態(tài)下，水的“非糾纏狀態(tài)”到“糾纏狀態(tài)”的轉變可以用作解釋液-液相轉變。
為了證實這個結論在分子水中依舊適用，研究人員使用了水比較常見的TIP4P/Ice和TIP4P/2005兩種分子模型進行模擬。
這兩種模型在建立過程中，并沒有嚴格遵守四面體配位，但仍然存在一級液-液相轉變和相應的液-液相臨界點。
因此，研究人員也對這兩個模型進行了類似的拓撲分析。
結果表明，在低密度水中，存在一些少量的鏈接，但并沒有打結的結構，而在高密度水中，除了鏈接之外還包含三葉結和θ曲線，其環(huán)結構的含量遠遠超過低密度水。
總的來說，從膠體模型到分子模型的模擬實驗，糾纏與非糾纏均可以作為水在兩種狀態(tài)下的轉換一個拓撲特征。
通過追蹤模型中的鏈與結，便可以發(fā)現液-液相變中的“秘密”了。
值得一提的是，在這個模擬過程中，膠體模型也發(fā)揮著重要的作用。
里雅斯特港/特區(qū)國際高級研究學院教授Christian Micheletti表示：
水的膠體模型為液體的大規(guī)模研究開辟了全新的視角。
并且傳統的液體局部結構分析很難發(fā)現某些相變現象，而這些現象可以通過跟蹤網絡中的節(jié)點和鏈接來發(fā)現。
參考鏈接：
[1]https://www.birmingham.ac.uk/news/2022/new-evidence-shows-water-separates-into-two-different-liquids-at-low-temperatures
[2]https://www.nature.com/articles/s41567-022-01698-6#Sec1
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