AI破解水的百年谜团：为何水结冰会膨胀？

水结冰会膨胀，这事儿看似简单，背后却藏着科学家们纠结了百年的谜团。最近，日本大阪大学的一支团队借助AI，终于找到了破解这个谜团的钥匙——他们系统评估了16种分子结构描述方法，成功筛选出观察水分子微观变化的最佳“透视镜”。

研究团队在7月6日发布的报告中指出，水是地表最常见的液体，但它的行为却处处透着“反骨”：绝大多数液体凝固时体积收索，唯独水结冰时体积膨胀。现有理论认为，水的这些异常现象与其微观结构随温度、压力变化的动态过程密切相关，但此前一直缺乏一套系统化的表征方案来验证这些关联。

关键时刻，大阪大学副教授金康团队搬出了AI模型。他们严格比对16种分子结构描述方法的性能，不仅破解了描述水分子局部次序的评估难题，还理清了水中两种竞争液态状态的演变脉络。换句话说，他们用AI从一堆“盲人摸象”的工具里，挑出了最精准的那面“镜子”。

那么，水到底是怎么结冰的？要让水分子从液态排列成固态晶格，首先需要一个“锚点”——也就是成核位。水中存在的杂质颗粒，或者容器内壁的微小划痕，都能充当这个角色。但如果容器足够光滑、足够洁净，水可以一直冷却到冰点以下仍保持液态，这种状态就叫过冷水。

论文进一步揭示，水之所以表现出各种反常的物理特性，根子在于过冷水中存在两种竞争结构：高密度液态（HDL）和低密度液态（LDL）。当温度回升时，原本塌缩的HDL结构会比开放的LDL结构增加更多，这种微观差异直接解释了水结冰膨胀以及过冷水异常行为的统一机制。