水的雙重液態之謎：科學家揭開驚人發現

水，這個我們日常生活中再熟悉不過的物質，竟然在極端條件下展現出令人驚奇的雙重液態特性！加州大學聖地牙哥分校的研究團隊最近在《自然物理》期刊上發表了一項突破性研究，揭示了水在極低溫與高壓環境下，能夠同時存在於兩種不同的液態相。這一發現不僅證實了數十年前提出的理論，更為未來的材料科學與環境科技應用開啟了新的可能性。

水之所以被視為獨特的物質，原因在於它能在常態下同時以固態、液態和氣態存在。例如，冰塊漂浮在池塘表面，液態水在其下流動，而水蒸氣則在上方形成雲層。此外，水的固態（冰）密度低於液態，這也是冰能浮在水面上的原因。然而，研究團隊的最新發現進一步揭示了水的另一項驚人特性：在極端壓力與低溫條件下，液態水會自發分離成高密度與低密度兩種液態相。

這項研究由加州大學聖地牙哥分校的化學與生物化學教授Francesco Paesani領導，他的團隊結合了化學、物理與電腦科學，開發出先進的分子行為模型。透過機器學習與計算演演算法，他們成功模擬出與實驗觀察高度吻合的水分子行為。Paesani表示：「我們的水模型如此逼真，幾乎可以讓人『喝』下去！」

大多數液體都是均質的，分子之間無法區分，水在常態下也是如此。然而，早在1992年，科學家就提出理論，認為水在特定溫度與壓力下會達到一個臨界點，不再呈現均質狀態。Paesani的團隊透過模擬發現，當溫度低至198開爾文（約-103華氏度）且壓力高達1,250大氣壓時，水會自發分離成高密度與低密度液態相。在這個臨界點，水分子會在高密度與低密度相之間劇烈震盪，展現出分子層面的奇特現象。

過去三十年間，科學家一直試圖透過實驗重現這種自發分離現象，但始終未能成功。隨著計算模擬技術的進步，特別是資料驅動的多體勢能模型的發展，Paesani的團隊終於實現了這一目標。他們開發的MB-pol模型基於高階量子力學計算，並透過機器學習技術，能夠精確模擬水在整個相圖中的行為。

Paesani以人際互動為例解釋MB-pol模型：當一個人獨處時，行為是固定的；當另一人進入房間，第一個人的行為會因應改變；隨著更多人加入，互動模式也會不斷調整，直到房間過於擁擠，新增的人不再顯著影響整體行為。MB-pol模型正是基於這種原理，在短距離內，量子力學效應會直接影響水分子的行為，而在長距離下，這些效應則會被系統平均化。

這項研究的模擬過程耗時近兩年，動用了全球最強大的超級電腦之一——聖地牙哥超級電腦中心的Expanse。Paesani表示：「這是一項非常令人興奮的成就，我們相信模擬結果相當可靠。接下來，就看實驗研究者能否驗證我們的預測了。」

目前，在實驗室中重現這些極端條件仍是一大挑戰，但奈米液滴技術或許能提供一條可行的途徑。透過表面張力產生高內部壓力的微小水滴，科學家有望在未來實驗中證實這一現象。這項發現不僅為水的複雜行為提供了新的見解，更可能徹底改變我們對水的認知。

參考文獻：F. Sciortino, Y. Zhai, S. L. Bore 與 F. Paesani 等人於2025年2月3日發表於《自然物理》期刊的研究論文〈Constraints on the location of the liquid–liquid critical point in water〉，DOI: 10.1038/s41567-024-02761-0。此研究部分由美國空軍科學研究辦公室（FA9550-20-1-0351）與國家科學基金會（CHE230052）資助。