水的行为如此普遍，对生命如此重要，这让科学家们感到困惑。比如，为什么冰的密度没有水大，而是像其他液体结冰一样漂浮而不是下沉？

现在，一项新的研究为一个有争议的理论提供了有力的证据，即在非常冷的温度下，水可能以两种不同的液体形式存在，其中一种密度较小，而另一种结构更紧凑。

普林斯顿大学和罗马萨皮恩扎大学的研究人员通过计算机模拟水分子，寻找一种液相转变为另一种液相的临界点。这项研究发表在本周的《科学》杂志上。

1950年普林斯顿大学研究院院长、工程与应用科学系教授、化学与生物工程教授Pablo Debenedetti说，“临界点的存在为水的奇异性提供了一个非常简单的解释。”找到临界点就相当于为很多让水变得奇怪的事情找到了一个好的简单的解释，尤其是在低温下。"

水的奇特之处在于，当它冷却时，它会膨胀而不是收缩，这就是为什么冷冻水的密度低于液态水的密度。在较低的温度下，水也变得更加可压缩。当冷冻时，它的分子可以以至少17种方式排列。

临界点是温度和压力的唯一值，在这一点上，物质的两个相变得无法区分，并且就在物质从一个相变成另一个相之前发生。

德贝内代蒂说，临界点的存在很容易解释水的怪异。在物质的本质中，感觉临界点的位置离临界点本身很远。在临界点，分子行为的可压缩性和其他热力学度量(如热容量)是无限的。

使用两种不同的计算方法和两种高度逼真的水模型，研究小组确定液-液临界点在大约190至170开尔文(大约-117至-153华氏度)的范围内，这大约是海平面大气压力的2000倍。

对于参与了几十年探索的研究人员来说，确定临界点是确定水的异常性质的基本物理解释的令人满意的一步。几十年前，物理学家提出了这样一个理论：将水冷却到冰点以下的温度，同时保持其液体状态(在高空云中为“过冷”状态)，将使两种独特的液体形式的水在足够高的压力下暴露出来。

为了验证这一理论，研究人员求助于计算机模拟。到目前为止，现实生活中对水分子的实验还没有提供明确的临界点证据，部分原因是过冷水容易迅速冻结。

罗马萨皮恩扎大学物理学教授弗朗切斯科西奥尔蒂诺(Francesco Sciortino)于1992年担任博士后研究员，同时进行了最早的此类建模研究之一。这项研究发表在《自然》杂志上，这是第一项表明他们之间存在临界点的研究。两种液体形式。

Sciortino对这个新发现非常满意，他也是《科学》新研究的合著者。这项新研究使用了当今更快、更强大的研究计算机和更新、更精确的水模型。即使有今天强大的研究计算机，这种模拟也需要大约1.5年的计算时间。

西奥尔蒂诺说：“你可以想象当我们开始看到临界波动正在如预期那样发挥作用时的喜悦。”“现在我可以好好睡一觉了，因为经过25年的努力，我最初的想法得到了证实。”

就两种液体形式的水而言，两相在低于冰点的温度和足够高的压力下不平衡共存。随着温度的下降，两个液相拔河，直到一场胜利，整个液体变得低密度。

在普林斯顿大学和罗马特奥蒂诺大学博士后研究员居尔策泽进行的模拟中，由于温度下降到远低于冰点的温度，达到过冷范围，水密度波动剧烈，与预期一致。

泽尔泽说，水的一些奇怪行为可能是水赋予生命的特性背后的原因。“生命的流体是水，但我们仍然不知道为什么水不能被另一种液体代替。我们认为原因与水的异常行为有关。其他液体没有表现出这些行为，所以它们必须与作为活液体的水联系起来。”

水的两相出现是因为水分子的形状可以导致两种堆积模式。在密度较低的液体中，四个分子以称为四面体的几何形状聚集在中心的第五个分子周围。在密度较高的液体中，第六个分子被挤压，可以增加局部密度。

该团队在两种不同的水模型中检测到了临界点。对于每个模型，研究人员用两种不同的方法计算水分子，以找到临界点。两种方法都找到了关键点。

彼得普尔是加拿大弗朗西斯泽维尔大学的物理学教授。1992年与Sciortino合作在《自然》(自然)发表时，他还是研究生。他说：“获得这个新的成绩非常令人欣慰。”“自1992年以来，在真实的水模型中看到了另一个明显的液液相变案例，这是一个漫长而有时孤独的等待。”

C.亚利桑那州立大学的摄政教授奥斯汀安吉尔在20世纪70年代研究了过冷水的性质。