AI 探索破解水的百年谜团：为何水结冰会膨胀？

7月25日，日本大阪大学发布了一项有些意思的研究——他们用AI模型，去破解一个困扰科学界上百年的谜题：水为什么会在结冰时膨胀？更关键的是，他们找到了观察水分子微观变化的“最佳视角”。

水是地球上最常见的液体，但它的脾气却有点古怪。大部分液体都是热胀冷缩，水却偏偏反着来——结冰时体积膨胀，密度降低。过去，科学家们普遍认为，这些反常现象一定跟水分子在微观层面的排列方式有关，而且这种排列会随温度和压力的变化而改变。但问题在于，一直没有一套系统、有效的方法去描述和量化这些变化。

大阪大学副教授金康（Kang Kim）带领的团队，这次借助AI模型，对16种不同的分子结构描述方法进行了一次严格的横向对比评估。结果如何？他们成功找到了那个能精准捕捉水分子在不同温度、压力下微观变化的“透视镜”。更重要的是，这一发现为理解水结冰膨胀、以及过冷水的种种异常行为，提供了一个统一的科学框架。

先说一个关键点：水要结冰，分子需要像搭积木一样，有序地排列成冰那样的晶格结构。而这个“搭积木”的过程，需要一个基底——也就是成核位。在水里，杂质或者容器内壁的划痕，都可以充当这个基底。但问题来了，如果容器足够光滑、足够洁净，水就可以冷却到冰点以下而不凝固，这种状态就叫过冷水。

那么，过冷水到底有什么“怪异”之处？从论文的结论来看，导致水这些反常物理特性的底层机制，其实在于过冷水中存在着两种液态结构的竞争：高密度液态（HDL）和低密度液态（LDL）。当温度上升时，塌缩的HDL结构会多于开放的LDL结构。正是这两种结构之间的此消彼长，驱动了水结冰膨胀等一系列反常行为。