图：科学家杂志AI绘制
水的独特性质受其分子异常的支配，但其背后的机制仍然难以理解。巴塞罗那大学的研究人员开发了一种新的理论模型，即CVF模型，克服了以往的局限性，揭示了两种液态水形式之间的临界点，解释了水的异常现象，并在生物医学和技术领域具有潜在应用。
巴塞罗那大学的研究团队推出了一项创新的理论研究，探索水的独特性质。水，这一对生命至关重要的分子，表现出异常的特性——即所谓的异常现象，这些特性定义了其行为。尽管经过广泛研究，许多关于这些异常背后的分子机制仍然是谜团。破解并在各种温度范围内复制这种独特行为，仍是科学界面临的重大挑战。
现在，一项研究提出了一种新的理论模型，能够克服以往方法的局限性，以理解水在极端条件下的行为。该论文刊登在《化学物理学报》的封面上，由巴塞罗那大学物理学院和纳米科学与纳米技术研究所的Giancarlo Franzese和Luis Enrique Coronas领导。
该研究不仅拓宽了我们对水物理特性的理解，还在技术、生物学和生物医学领域具有重要意义，尤其是在解决神经退行性疾病的治疗和开发先进生物技术方面。
来自巴塞罗那大学凝聚态物理系统计物理学科的Giancarlo Franzese教授。图片来源：巴塞罗那大学
CVF模型：更好地理解水的物理特性
这项研究源于Luis E. Coronas在2023年于巴塞罗那大学物理学院提交的博士论文，展示了一种新的理论模型，简称为CVF模型（由研究人员Luis E. Coronas、Oriol Vilanova和Giancarlo Franzese的姓氏首字母组成）。新的CVF模型可靠、高效、可扩展且可转移，结合了从头算量子计算，能够准确再现水在不同条件下的热力学性质。
通过应用新的理论框架，研究揭示了“在两种液态水形式之间存在一个临界点，这个临界点是使水独特且对生命必不可少的异常现象的起源，同时也对许多技术应用至关重要，”来自凝聚态物理系统计物理学科的Giancarlo Franzese教授表示。
“尽管其他水模型已经得出了这一结论，但没有一个模型具备我们在这项研究中开发的模型的特定特征，”Franzese说。
一些当前解释水异常现象的模型无法充分再现水的热力学性质，例如其可压缩性和热容。
这项研究源于Luis E. Coronas在2023年于巴塞罗那大学物理学院提交的博士论文。图片来源：巴塞罗那大学
“然而，CVF模型能够做到这一点，因为它结合了分子间相互作用的初始量子计算结果。这些相互作用，被称为多体问题，超越了经典物理学，因为水分子以一种难以通过实验测量的方式共享电子，”Franzese说。
根据研究，“水中的密度、能量和熵的波动由这些量子相互作用调节，其影响范围从纳米级到宏观尺度，”研究员Luis E. Coronas表示。
“例如——Coronas继续说道——水调节能量和分子的交换，以及细胞中蛋白质和核酸的聚集状态。这些过程的缺陷被怀疑会导致严重疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症。因此，了解水波动如何影响这些过程可能是找到这些疾病治疗方法的关键。”
促进新生物技术的发展
CVF模型还提供了新的优势，能够在其他模型失效的情况下进行计算，原因可能是计算量过大或与实验结果显著偏离。
在技术开发领域，一些实验室正在开发利用水的量子相互作用的生物技术，以替代肌肉（机械致动器）；基于水的忆阻器以创建内存设备（其容量比当前的高出数百万倍），或应用石墨烯海绵，通过纳米孔中水密度的波动分离水中的杂质。
这对于理解水的物理特性也具有重要意义。“这个模型可以再现地球上几乎所有温度和压力下的液态水性质，尽管在实验室达到的极端条件下会有所偏离，”专家们表示。“这表明模型中未包含的效应——核量子效应——在这些极端压力和温度下也很重要。因此，模型的局限性指引我们在哪些方面进行改进以最终制定出模型的最终形式，”他们总结道。
参考文献：“亚稳态水的相行为来自对接近环境条件的定量精确模型的大规模模拟：液-液临界点特征”作者：Luis Enrique Coronas和Giancarlo Franzese，2024年10月22日，《化学物理学报》。DOI: 10.1063/5.0219313
点评：
文章介绍了巴塞罗那大学的研究团队如何通过开发新的CVF模型，深入揭示水的异常特性及其背后的分子机制。水的独特性质，如其在不同温度和压力下的行为变化，一直是科学界的难题。CVF模型通过量子计算，成功模拟了水分子间的复杂相互作用，提供了对这些异常现象的新解释。
该研究不仅在理论上深化了对水的理解，还在实际应用中展现出巨大潜力，特别是在生物医学领域，如神经退行性疾病的研究。此外，CVF模型在技术开发中也有望推动新型记忆设备和水净化技术的发展。总体而言，这项研究为科学家提供了新的工具和视角，推动了对水这一生命之源的全面理解，并为未来的技术创新奠定了基础。
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