水在低温下分为两种不同液体的新证据

诸平

 Credit: CC0 Public Domain, https://phys.org/news/2022-08-evidence-liquids-temperatures.html

Fig. 1: Thermodynamic anomalies and LLCP in colloidal water.

a, Schematic of the hierarchical self-assembly of triblock patchy particles leading to a colloidal model of water. The two patches, labelled A and B, are of different sizes and form bonds of different strengths. The A patches (red) form stronger bonds than the B patches (blue) so as to encode two-stage assembly upon cooling. 

b, The evolution of the reduced density ρ^⋆ as a function of the reduced temperature T^⋆ for different reduced pressures P^⋆, where P^⋆×10³ = 5, 6, 7, 7.5, 8.5, 9, 10, 12, 14 and 16. The arrow indicates the direction of increasing P^⋆. The inset highlights the density maximum for P^⋆×10³ = 5, 6, 7 and 7.5. 

c, The evolution of the reduced thermal expansion coefficient , isothermal compressibility  and isobaric heat capacity  as functions of T^⋆ at P^⋆ = 0.0085 (close to the critical pressure). Error bars represent the standard deviation over five sets of Monte Carlo trajectories, each of 1×10⁸ cycles. 

d, The dependence of ρ^⋆ and the fraction of BB bonds formed (f_b) on P^⋆ at T^⋆ = 0.105 and T^⋆ = 0.112. 

e, The distribution of the order parameter M for colloidal water (blue symbols), calculated using histogram reweighing, with T^⋆ ≈ 0.1075, P^⋆ ≈ 0.0082 and s ≈ 0.627, compared with the corresponding 3D Ising universal distribution (solid red line).

Credit: Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01698-6

据英国伯明翰大学（University of Birmingham）2022年8月19日提供的消息，发现了水在低温下分为两种不同液体的新证据（New evidence that water separates into two different liquids at low temperatures）。

30年前，美国波士顿大学（Boston University）的研究人员，首次提出了水中一种新的“相变”。然而，由于预测这种转变会在过冷条件下发生，因此确认其存在一直是一个挑战。这是因为在这些低温下，水真的不想成为液体，而是想迅速变成冰。由于它的隐藏状态，这种液-液相变仍有许多未知之处，这与水在固相或汽相与液相之间相变的日常例子不同。

然而，2022年8月11日发表在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站的新证据表明，在证实1992年首次提出的液-液相变（liquid-liquid phase transition）概念方面，迈出了重要的一步。详见Andreas Neophytou, Dwaipayan Chakrabarti, Francesco Sciortino. Topological nature of the liquid–liquid phase transition in tetrahedral liquids. Nature Physics, Published: 11 August 2022. DOI: 10.1038/s41567-022-01698-6. https://dx.doi.org/10.1038/s41567-022-01698-6

参与此项研究的除了来自伯明翰大学的研究人员之外，还有来自意大利罗马大学（Sapienza Universitádi Roma）的弗朗西斯科·西奥蒂诺（Francesco Sciortino）教授。弗朗西斯科·西奥蒂诺曾经是20世纪90年代初波士顿大学原始研究团队的成员。

研究小组利用计算机模拟（computer simulations）来帮助解释这两种液体在微观层面上的区别。他们发现，高密度液体中的水分子形成了被认为是“拓扑复杂（topologically complex）”的排列，例如三叶结（trefoil knot，想象分子以类似椒盐卷饼的方式排列）或霍普夫链（Hopf link，想象钢链中的两条链）。因此，高密度液体中的分子被称为是缠结。

相比之下，低密度液体中的分子大多形成简单的环，因此低密度液体中的分子是未纠缠的。

该论文的第一作者、伯明翰大学博士生安德烈亚斯·尼奥菲图（Andreas Neophytou）与德怀帕扬·查克拉巴蒂（Dwaipayan Chakrabarti）博士合作。安德烈亚斯·尼奥菲图说：“这一见解为我们提供了一个全新的视角，让我们对这一已有30年历史的研究问题有了全新的认识，希望这只是一个开始。”

研究人员在模拟中使用了水的胶体模型，然后使用了两种广泛使用的水分子模型。胶体是比单个水分子大一千倍的粒子。由于胶体的尺寸相对较大，因此运动较慢，因此胶体被用来观察和理解这些也发生在更小的原子和分子长度尺度上的物理现象（physical phenomena）。

合作者德怀帕扬·查克拉巴蒂博士说：“这种水的胶体模型为分子水提供了一个放大镜，使我们能够解开关于两种液体传说的水的秘密。”

弗朗西斯科·西奥蒂诺教授说：“在这项工作中，我们首次提出了基于网络纠缠思想的液-液相变观点。我相信这项工作将激发基于拓扑概念的新理论建模。”

该团队预计，他们设计的模型将为验证该理论的新实验铺平道路，并将“纠缠”液体（"entangled" liquids）的概念扩展到硅等其他液体。

美国普林斯顿大学化学与生物工程教授、这一研究领域的世界领先专家巴勃罗·德韦内德蒂（Pablo Debenedetti）评论道：“这项漂亮的计算工作揭示了同一网络形成物质中不同液相存在的拓扑基础。通过这样做，它极大地丰富和深化了我们对一种现象的理解，大量的实验和计算证据越来越多地表明，这一现象对于最重要的液体——水——的物理学至关重要。”

意大利里雅斯特的国际高等研究学院（International School for Advanced Studies in Trieste, Italy）教授克里斯蒂安·米切莱蒂（Christian Micheletti）目前的研究兴趣在于了解纠缠，尤其是结和链，对生物聚合物的静态、动力学和功能的影响，他说，“在这篇论文中，安德烈亚斯·尼奥菲图等人取得了多项突破，这些突破将在不同的科学领域产生重大影响。首先，他们优雅且在实验上易于修正的水胶体模型为液体的大规模研究开辟了全新的视角。除此之外，他们还提供了非常有力的证据，证明通过追踪液体结合网络中的节点和链接，可以很容易地识别出液体局部结构的传统分析难以识别的相变。在沿着瞬态分子键运行的路径的某种抽象空间中寻找如此复杂的想法,是一个非常强大的想法，我预计它将被广泛用于研究复杂的分子系统。”

弗朗西斯科·西奥蒂诺说：“水，一个接一个地揭示了它的秘密。想象一下，如果我们能观察液体内部，观察水分子（water molecules）的舞动、它们闪烁的方式以及它们交换伴侣、重组氢键网络的方式，那将是多么美好。我们提出的水胶体模型的实现可以实现这一梦想。”

本研究得到了英国皇家学会通过国际交流奖（Royal Society via International Exchanges Award IES\R3\183166）、EPSRC拓扑设计博士培训中心（EPSRC Centre for Doctoral Training in Topological Design：EP/S02297X/1）、Ministero Istruzione Università Ricerca – Progetti di Rilevante Interesse Nazionale (grant 2017Z55KCW)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Novel method examines the gas-liquid interface in new detail

Abstract

The first-order phase transition between two tetrahedral networks of different density—introduced as a hypothesis to account for the anomalous behaviour of certain thermodynamic properties of deeply supercooled water—has received strong support from a growing body of work in recent years. Here we show that this liquid–liquid phase transition in tetrahedral networks can be described as a transition between an unentangled, low-density liquid and an entangled, high-density liquid, the latter containing an ensemble of topologically complex motifs. We first reveal this distinction in a rationally designed colloidal analogue of water. We show that this colloidal water model displays the well-known water thermodynamic anomalies as well as a liquid–liquid critical point. We then investigate water, employing two widely used molecular models, to demonstrate that there is also a clear topological distinction between its two supercooled liquid networks, thereby establishing the generality of this observation, which might have far-reaching implications for understanding liquid–liquid phase transitions in tetrahedral liquids.