水在極端環境下會分成兩種不同的液體型態，而我們離知道為什麼更近一步了

雪花眩目的美，是對於水能夠在凝固點以下，形成令人驚艷形狀的證明。當置於壓力之下，水分子的優雅舞蹈，在超級寒冷的溫度之下，扭曲成為某個詭異的東西，本質上就是將它們自己綁成結的樣子，避免轉變成冰。

兩種型式

英國伯明翰大學（University of Birmingham）以及義大利羅馬大學（Sapienza Università di Roma）的研究人員們檢視了加壓水中的分子行為，這些加壓水是被擺放在通常會造成它們結晶的狀態之下。

藉由使用一個嶄新方法，來替作為懸浮粒子的水的行為建立模型，研究人員辨識出了兩種不同液體狀態的特色：其中一種是「拓樸學上很複雜」，以類似於扭結餅（pretzel）的反手結形式連接；另外一種是形成更低密度的簡單環狀。

伯明翰大學的化學家德威帕楊·查克拉帕蒂博士（Dwaipayan Chakrabarti）說：「這個水的膠體模型提供了水分子的放大鏡，讓我們能夠揭開關於水的雙液體秘密。」

制定於 1990 年代的理論提出了，當水過冷，也就是冷卻到典型凝固點之下卻沒有固化時，各種可能發生的分子反應。

多年來到現在，科學家們一直在突破極限，讓冷卻的水不要轉變成固體狀態。最終，終於在極冷的攝氏 -263 度下，讓水在一瞬間維持於一個混沌的液體狀態，而沒有轉變成冰。

就在實驗室中，展示這些狀態的方面所取得的進展方面而言，科學家仍然在嘗試理解出，當熱被移除時，過冷液體到底看起來長什麼樣子。

很顯然，在臨界點時，水分子間互相競爭的極性吸引力，會凌駕搖晃粒子的熱力學。在沒有肘部的空間，將水分子推成結晶狀態之下，分子必須要找到其他更舒適的組態。

由於有那麼多因素在影響，研究人員通常他們所能簡化的因素，並專注於重要的變數。在這個例子當中，將水的「團塊」視作它們彷彿是溶於液體中的大顆粒子，這有助於更加了解從其中一個排列變成另一種排列時的變化。

根據此觀點所形成電腦模型，展示出了彼此推開的水分子間的細微變化，以及一種由彼此更靠近的粒子所構成的、呈現更緊密的型態。

很有趣的是，在水中環境的分子互動形狀、或是拓樸，也看起來完全不同。當分子擠在一起時，它們會纏結成複雜的網路；或者，當他們互相推開時，會形成更簡單的形式。

羅馬大學的凝聚體物理學家弗朗切斯科·西奧蒂諾教授（Francesco Sciortino）說：「在這項研究中，我們首次提出一項液體-液體相變化的觀點，是基於分子纏結的想法。我很確定，這項研究會啟發，基於拓樸學概念而產生的嶄新理論模型。」

這纏結粒子網路的奇怪空間已經成熟，等著要被探索。雖然不全然與長鏈的共價鍵分子不相似，但是如此的結是暫態的，會隨著液體環境變化而變換成員。

有鑑於它們纏結的互動，在高壓、低溫環境下發現的液態水特性，應該會很不像潑濺在地球表面上的任何東西。

不僅僅是這些情況下的水，若能知道這些情況下的其他液體的拓樸行為的話，可以給我們新見解，了解在極端或是難以到達的環境，例如遙遠行星深處下的材料活動。

西奧蒂諾教授說：「夢想看看這會有多美好，如果我們可以往液體內部看，並觀察水分子舞蹈，看它們閃爍的方式、以及它們交換夥伴來重建氫鍵網路的方式。若實現我們對水所提出的膠體模型，則可以讓這個夢想成真。」

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參考資料：

McRae, M., (2022, August 22). Water Can Separate Into 2 Different Liquids. We Just Got Closer to Knowing Why. ScienceAlert
Neophytou, A. et al., (2022, August 11). Topological nature of the liquid–liquid phase transition in tetrahedral liquids. Nature Physics. doi.org/10.1038/s41567-022-01698-6
圖片來源：https://www.sciencealert.com/water-can-separate-into-2-different-liquids-we-just-got-closer-to-knowing-why（圖：Andriy Onufriyenko/Moment/Getty Images）