基于粗粒化物理模型研究液态水的微观结构

水是生命之源，人类对水的研究从来沒有停止过。但是对液体水的氢键及其微观结构的认识依然不清楚。著名学术期刊《科学》在2004年将"对水的微观结构的理解"作为当年十大科学进展之第八；更有意思的是，这些理解随后引起巨大争论。由于缺乏对以氢键为特征的水的微观性质的整体理解，基于分子动力学模拟的全原子水模型依然不能给出统一的与实验符合的水的特性，现有的各种简化模型则需要很多复杂的假设。2009年我们提出具有"强、弱氢键特性"的水的简化模型。这个非常简化的模型在刻画常温水和超冷水的某些特性时非常成功。本项目将在此基础上，将这个模型进一步扩展到更多的水的热力学特性，挖掘水的微观性质特性，主要是氢键结构性质；进而研究水的动力学特性，包括水的扩散系数、粘滞性、结构弛豫时间等，以期建立"水的微观结构、水的热力学行为和动力学行为之间关系"的物理图像。本项目将有助于揭示水的异常性质的物理本质，具有重要的理论意义。

人类对水的研究从来沒有停止过，但对液体水的氢键及其微观结构的认识依然不清楚。有意思的是，直到最近的2014年，三位美国院士(Pablo G. Debenedetti, H. Eugene Stanley, David Chandler)和一位德国院士(Kurt Binder)仍然在国际顶级刊物展开激烈的辩论[Nature 510, 385 (2014); PNAS 111, 9374 (2014);PRL 112, 135701 (2014); arXiv:1407.6854 (2014)]：液态水的液液相变（纯种液体，但高、低密度两种液态相）是否真实存在？作为生命源泉，水的基本结构及性质直接关系到各种物理、化学和生命活动等过程，具有重要的理论意义。传统水模型只能通过可能的临界点之上的行为来推测临界点存在与否，且不同水模型的结果并不一致。我们从粗粒化的物理模型从发，仅引入一个参数描述氢键的正四面体结构性的强弱,考察和建立氢键模式与微观结构、以及水的异常性质之间的物理联系。研究表明，高密度与低密度局域结构是可以共存液态水中的，且激烈地相互竞争；此竞争关系取决于形成氢键的正四面体结构性的强度，不同氢键结构的正四面体性的强弱变化则可以导致相变的临界点的出现与消失；此模型被进一步被应用于研究在临界点以下的临界行为。此研究有利于揭示水的异常性质的物理本质,并为将来实验研究提供理论依据。