水，还是那个水，但又不是那个水。

科学家又有新发现，水竟然可以同时存在两种液态形态。这是刚刚发表于《Nature Physics》的研究，直接戳破了困扰物理学界30多年的难题：水的液-液相变。

这件事，必须从水的异常特性说起。大家都知道，水结冰时会膨胀，冰的密度比水低，所以冰能浮在水面上。但水的奇怪之处远不止于此。通常来说，液体冷却时密度增加，但水在4°C时密度最大，继续降温反而变稀，这是物理学上一大经典谜团。

更离谱的是，在极端低温和高压下，水可能不止一种液态形态。1992年，就有人提出，在超冷条件下，水可能同时存在高密度液态（HDL）和低密度液态（LDL）。这意味着，在某个温度和压力范围内，水可以在两种液态之间相互转换，就像水和冰的相变一样。但这个假设一直难以验证，因为在低于-38°C的条件下，水几乎会立刻冻结，根本没法测量。

这片区域被科学家称为“无人区”（no man's land）。

怎么办？只能靠计算模拟。但问题是，不同研究团队的计算模型各不相同，得到的水的液-液临界点（LLCP）预测结果也千差万别——有的说在-123°C，有的说在-23°C，压力范围从36 MPa到270 MPa，跨度之大，简直像是在“拍脑袋”预测。

这次，意大利罗马萨皮恩扎大学的Francesco Sciortino和美国加州大学圣地亚哥分校的Francesco Paesani联合，用了一种新方法，终于把问题掰扯清楚了。

核心是什么？深度神经网络（DNN）。

他们用的是Paesani团队开发的一种超精确水分子模型——MB-pol。这种模型直接从量子化学的一阶原理出发，比过去的经验模型精度高得多。唯一的问题是，MB-pol计算量太大，跑一个分子动力学（MD）模拟就要耗费巨量算力，根本撑不住大规模计算。

于是，团队找到了一种折中方案：训练一个深度神经网络（DNN@MB-pol），用MB-pol的数据作为训练集，既保留高精度，又能大幅提升计算速度。

然后，就是计算。研究团队在188 K（-85°C）到368 K（95°C）的温度范围内，选取280个状态点，进行微秒级分子动力学模拟，模拟的水分子数量是256个，采用周期性边界条件。

结论？终于看到液-液相变了。

具体来说，在-85°C、101.3 MPa的条件下，水的密度在高密度液态（HDL）和低密度液态（LDL）之间发生剧烈波动，表现出典型的一级相变特征，说明水确实存在两种不同的液态形态，并且可以相互转换。

更关键的是，研究团队进一步推测，真正的液-液临界点（LLCP）大概位于198 K（-75°C）和126.7 MPa。这比过去很多预测的压力值都要低，意味着实验上更有可能验证。

那么，怎么实验验证？

科学家已经有想法了——用纳米尺度水滴（nanodroplets）。这些纳米级的小水滴，可以在极端环境下产生极高的内部压力，达到液-液相变的临界压力。理论上，如果控制好条件，就能在实验上捕捉到水在两种液态之间转换的过程。

此外，研究团队还建议用中子散射和X射线散射技术，来检测这些水滴内部的结构变化。如果液-液相变真的存在，就会在散射信号里留下“指纹”。另外，时间分辨光谱技术，也可能捕捉到HDL和LDL之间的转换动态。

这项研究，彻底颠覆了过去30年的争论。毕竟，过去所有的液-液相变模型，都只是推测和计算，没有确凿的证据。而这次，DNN@MB-pol给出了目前最精确的预测结果，终于把这个问题推向了实验验证阶段。

但问题还没有结束。

首先，水的液-液相变究竟是不是普遍现象？还是说，这种现象只在超冷超压环境下存在，和日常生活完全无关？毕竟，我们喝的水、江河里的水，从来没有表现出这种奇怪的“双态”特性。

其次，过去的水模型，如TIP4P、SPC/E、ST2等，很多都支持液-液相变理论，但在实验上迟迟得不到验证。这次DNN@MB-pol的计算结果更精确，但是否真正代表现实世界的水？实验上能不能最终找到证据？这些问题还需要后续研究。

还有一个更有趣的猜测——如果水真的可以以两种液态共存，那么，这对自然界的水循环，甚至对地球以外的液态水系统，会不会产生影响？比如，木卫二（Europa）和土卫二（Enceladus）上的液态海洋，会不会也有类似的液-液相变？

总之，水，还是那个水，但比我们想象的更复杂。

科学家还在继续探索，而这次的DNN@MB-pol研究，可能真的离最终答案不远了。