Crossovers in supercooled solvation water: Effects of hydrophilic & hydrophobic interactions
我们使用系统的8 ns从头计算分子动力学（AIMD）研究水的结构和动力学的散装，并接近两个疏水和亲水（羰基）基团的四甲基脲（TMU）。我们观察到交叉的动力学行为周围的疏水基团在$T_X = 256 \pm 4$ K和另一个在$265 \pm 5$ K相关的水-水和水-羰基氢键（HBs）的相对强度。对于体相水，弛豫时间表观发散的温度位于$T_c = 210 \pm 10$ K。为了更好地确定亲水羰基所产生的影响，将水与甲烷分子的系统用作参考。这些发现与蛋白质在溶液中的结构和热力学转变有关，也可能在蛋白质的冷变性机制中发挥作用。
2015-05-07 cond-mat.soft physics.chem-ph
Machine learning evaluation of structural descriptors for supercooled water
The University of Osaka（大阪大学）
本文利用神经网络温度分类框架评估16种结构描述符，揭示其区分超冷却水温度依赖性结构变化的能力，并通过可解释人工智能方法确定影响模型预测的结构特征。
2026-07-10 cond-mat.soft physics.chem-ph
Diffusion dynamics of supercooled water modeled with the cage-jump motion and hydrogen-bond rearrangement
玻璃形成液体的缓慢动力学通常归因于笼跃运动。在笼跳图中，一个分子保持在由相邻分子形成的笼中，并且在足够长的时间之后，它通过破笼而跳离原始位置。因此，对笼子跳跃运动的澄清与解开慢动力学的基本要素有关。在这里，我们开发了一个笼跳模型的动力学过冷水。在氢键重排过程中引入了水分子的笼态和跳跃态，描述了水分子在过冷态下的运动。然后从TIP 4P/2005模型的分子动力学模拟中证明，笼跃运动的特征长度和时间尺度提供了对自扩散常数的良好描述，该自扩散常数又从均方位移的长时间行为确定。因此，我们的笼跳模型能够连接氢键动力学和分子扩散率之间。
2019-04-30 cond-mat.soft physics.chem-ph
Anomalies in bulk supercooled water at negative pressure
水是最常见的液体，也可以说是最复杂的液体。几十年来，人们一直在测量过冷水的异常现象，并提出了相互竞争的解释。然而，决定性的实验仍然难以捉摸，因为不可避免的结晶成冰。我们研究了水的状态，即过冷和机械张力下，或负压。负压下的液体可以在植物或矿物中的流体包裹体中找到。利用石英中的这种水包裹体，我们首次测量了低至$-15^\circ\mathrm{C}$和$-100\,\mathrm{MPa}$左右的双亚稳水。我们观察到的声速异常，可以再现定量与分子动力学模拟。这些结果排除了一个水异常的拟议方案，并对其余的进一步限制。
2013-11-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Spurious violation of the Stokes-Einstein-Debye relation in supercooled water
布朗运动理论、德拜旋转扩散模型和流体力学一起为我们提供了$\ell$ -次勒让德多项式$τ_\ell$的旋转弛豫时间与粘度除以温度$η/T$之间的斯托克斯-爱因斯坦-德拜（SED）关系。过冷液体的实验经常被用来测量SED关系，$τ_{\ell}k_{\rm B}T/η$和$D_{\rm t}τ_{\ell}$，其中$D_{\rm t}$是平移扩散常数。然而，SED关系破裂，其分子起源仍然难以捉摸。在这里，我们使用分子动力学模拟评估的有效性，在TIP 4P/2005过冷水的SED关系。具体而言，我们证明了高阶$τ_\ell$值表现出类似于$η/T$的温度依赖性，而最低阶$τ_\ell$值与$η/T$解耦，但与平移扩散常数耦合。我们发现，SED关系是如此虚假，他们显着依赖于勒让德多项式的程度。
2019-05-21 cond-mat.soft physics.chem-ph
Liquid-liquid phase separation precedes crystallization in supercooled water-glycerol solutions
Stockholm University（斯德哥尔摩大学）；Saint Petersburg State University（圣彼得堡国立大学）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器中心）；Technische Universität Bergakademie Freiberg（弗莱贝格矿业科技大学）；ESRF – The European Synchrotron（欧洲同步辐射装置）
研究过冷水-甘油溶液的结构演化，采用XPCS、USAXS与WAXS结合的方法，发现液-液相分离先于冰结晶发生，相场模拟验证旋节线分解场景，为区分两过程提供了途径。
2026-09-07 cond-mat.soft physics.chem-ph
Water and its relatives: the stable, supercooled and particularly the stretched, regimes
虽然水分子很简单，但它的凝聚相液体行为是如此复杂，尽管经过三个世纪的努力，仍然没有达成共识的描述。在这里，我们确定其行为的特点是最奇特的，因此建议前进的道路。我们研究了水在共同经验的边界上的性质，包括高压下的稳定状态，正常和升高的压力下的过冷状态，以及拉伸（“负压”）状态，达到机械稳定性的极限。中等压力下常见的异常（粘度和密度（TMD）行为等），根据常见的键断裂标准，不能用氢键断裂来解释。TMD的数据比较，在积极和消极的压力，与流行的对潜在的模型的预测，显示出显着的差异出现在拉伸液体域。这引发了对第二临界点（TC 2）假说的质疑，该假说一直指导着当前的许多思想。我们转向相关系统的指导，审查水状异常的层次结构。我们的结论是，水模型是远远不够的，正确理解水将取决于成功地掌握在负压域中的液体行为的测量-我们讨论。
2014-04-15 cond-mat.soft physics.chem-ph
Water is not a Dynamic Polydisperse Branched Polymer
Naserifar和Goddard的贡献论文报告说，他们在环境条件下的RexPoN水模型将液态水模拟为动态多分散支化聚合物，他们推测这解释了过冷区域中液-液临界点（LLCP）的存在。我们的工作解决了几个严重的事实错误和不必要的猜测，在他们的论文中，他们的解释，他们的模型和其含义的LLCP在过冷水。
2019-05-23 cond-mat.soft physics.chem-ph
Electrical Indicator of Imminent Freezing in Supercooled Water
数据表明，电活动和偶极排列在过冷水和重水冻结开始之前和之后的证据。已记录到高达13 mV的电压信号。在某些情况下，在潜热释放和冻结开始之前长达3秒。电压信号的极性暗示了冷冻前的分子偶极排列。
2002-04-02 physics.chem-ph physics.gen-ph
Wetting behavior of supercooled water droplets impinging on nanostructured graphite surface: A molecular dynamics study
本文采用分子动力学模拟，在原子尺度上研究了过冷水纳米液滴在撞击和停滞状态下的润湿行为。我们发现，水滴表示从表面沟槽纳米结构的收缩行为后，指示最大的渗透。对于撞击速度v* 的值存在阈值，低于该阈值，观察不到穿透，这取决于表面粗糙度的大小。这表明小于一定尺寸的凹槽可以阻止水渗透，考虑到在实际情况下v~0.5M，这对于设计纳米结构的疏冰基底是有用的信息。这种阻力可能来自于固体基质和液态水滴之间的界面张力。水渗透的程度显着取决于液滴的冲击速度和表面粗糙度的大小，为冲击速度大于V*。研究结果表明，液滴温度对液滴从表面沟槽结构中退出时间的决定性作用，而不是液滴撞击速度和表面沟槽结构的影响。
2019-08-01 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.comp-ph
Manifestations of the structural origin of supercooled water's anomalies in the heterogeneous relaxation on the potential energy landscape
液态水在过冷状态下的热力学异常现象是众所周知的。唯象双态模型--基于液态水中存在两种相互竞争的局部态（或结构）的假设--在描述水的热力学异常方面非常成功。然而，液态水中这些相互竞争的局域态的精确结构特征仍然难以捉摸。在这里，我们采用了几何序参量-自由的方法来明确识别两种类型的竞争本地状态-熵和能量的青睐-显着不同的结构和能量的功能在TIP 4P/2005液态水。这种识别是基于系统在势能景观（PEL）中的最速下降能量最小化过程中的异质结构弛豫。这种非均匀弛豫是使用受挫磁系统中自旋玻璃转变启发的序参量来表征的。我们进一步建立了这两种态的布居涨落与过冷水热容反常行为之间的直接关系。熵有利的局部状态的成分依赖的空间分布显示了一个有趣的交叉，从一个跨越网络状的单个集群的空间离域集群在Widom线附近。此外，这项研究建立了直接的关系的地形特征的PEL和水的热力学异常在过冷状态，并提供了替代标记（除了最大的热力学响应函数的轨迹）Widom线在相平面。
2022-08-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Correlation between thermodynamic anomalies and pathways of ice nucleation in supercooled water
公知的经典成核理论（CNT）对于在母亚稳相内形成新稳定相的临界尺寸的核的自由能垒没有考虑具有在母亚稳相和最终稳定相之间的密度/阶数中间的其它亚稳相的影响。这种缺陷可能比CNT中的毛细管近似或球形假设更严重。这个问题在冰成核中特别重要，因为液态水在过冷状态下显示出由两个（高密度和低密度）液相组成的丰富相图。对过冷水的热力学和动力学异常现象的解释，往往会援引两个亚稳液相之间的液-液转变的可能影响。为了研究热力学异常和过冷水中亚稳液相的存在对冰成核的影响，采用密度泛函理论方法计算了相图不同区域的成核自由能垒.该理论作出了一些惊人的预测，如显着降低的成核势垒，由于存在一个亚稳的中间相和交叉的自由能垒对温度的依赖性在液-液临界点附近。这些预测可以通过计算机模拟和受控实验进行测试。
2014-01-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Thermodynamics of supercooled water
我们回顾了现有的实验信息的过冷普通和重水的热力学性质，并证明了这些热力学性质的理论基础上建模的可能性。我们表明，通过假设过冷水中存在液-液临界点，临界现象的理论可以给出一个准确的帐户的实验性能数据的压力高达150 MPa。此外，我们表明，理论模型的唯象扩展可以解释所有目前可用的实验数据在过冷区域，高达400 MPa。讨论了液态的稳定极限和结晶与液-液分离之间可能的耦合。它的结论是，临界点热力学描述了实验精度内过冷水的热力学数据，从而建立了一个基准，在这方面的进一步发展。
2011-12-07 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Reversible structural transformations in supercooled water from 135 to 245 K
与“简单”液体相比，水具有许多异常性质，并且这些异常通常在过冷水中得到增强。虽然已经提出了许多模型，包括液-液临界点、无奇异性假设和稳定极限猜想，但在分子水平上的理解仍然是难以捉摸的。确定这些模型中哪一个（如果有的话）是正确的主要困难是相关温度和压力范围内的数据有限。对于环境压力下的水，这是这项工作的重点，由于快速结晶，数据在很大程度上是从160 - 232 K缺失。快速结晶是否仅仅是一个实验障碍，或者是一个根本问题，表明水在结晶之前无法达到热平衡，这也是一个悬而未决的问题。在这里，我们调查的瞬态加热，过冷水与纳秒时间分辨率使用红外振动光谱的结构转变。实验证明了三个关键结果。首先，水的结构从它的初始配置松弛到“稳态”配置之前，在很宽的温度范围内的结晶开始。其次，水的稳态结构可以通过两种与温度无关的结构的线性组合来再现，这两种结构对应于“高温液体”和“低温液体”。“第三，观察到的结构变化在整个温度范围内是可逆的。两者合计，这些结果表明，过冷水可以平衡之前的结晶温度从均匀的成核温度下降到玻璃化转变温度。其次，研究结果支持了过冷水在135 K到245 K之间可以被描述为两种结构不同、可相互转化的液体的混合物的假设。
2019-12-13 physics.chem-ph
How do hydrogen bonds break in supercooled water?: Detecting pathways not going through the saddle point of two-dimensional potential of mean force
过冷水表现出非常缓慢的动力学类似的行为观察到的各种玻璃形成液体。由于氢键（H-键）的四面体结构的局部有序性随着温度的降低而增加。因此，澄清氢键断裂过程的温度依赖性是很重要的。本文采用分子动力学模拟对TIP 4P过冷水进行了研究。利用水分子间的距离和夹角的组合，给出了平均力（PMF）的二维势。二维PMF的鞍点表明存在区分氢键和非氢键状态的过渡态。然而，我们观察到的路径不通过这个鞍点，特别是在过冷状态，这是由于平移，而不是旋转运动的分子。我们量化了旋转和平移氢键断裂的特征时间尺度。平移氢键断裂的时间尺度显示了非阿克里乌斯温度依赖性的氢键寿命。该时间尺度与基于过渡态理论的透射系数的温度依赖性有关。平移氢键断裂也与玻璃形成液体中观察到的笼跃有关，其中大多数涉及空间相关的分子。我们的研究结果保证进一步探索一个适当的自由能表面或反应坐标以外的几何变量的水二聚体描述一个可能的鞍点有关的集体跳跃运动。
2018-06-16 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.chem-ph
Liquid-liquid phase transitions in dipolar liquids. Insights into Supercooled Water
Ca’ Foscari University of Venice（威尼斯大学）
本研究通过粗粒化理论结合TIP4P/Ice水模拟，揭示偶极相互作用可触发或诱导过冷水的液-液相变，且该相变涉及第一配位壳的结构变化。
2026-11-09 cond-mat.soft physics.chem-ph
Electrocrystallization of Supercooled Water Confined by Graphene Walls
由于水分子具有偶极矩，因此水的任何结构转变对外部电场敏感。研究了外加均匀电场对石墨烯平面间过冷水结晶的影响。这种系统的结晶是由亚稳相到有序（结晶）相的普通弛豫和由所施加的电场诱导的偶极对准引起的。我们发现，该系统在温度$T=268$ K，其中水的密度为$0.94$ g/cm $^3$和所施加的电场的大小为$E=0.5~\textrm{V}$ /埃，结晶成立方冰，几乎没有缺陷，并且结晶在时间尺度$\sim 5.0$ ns上进行。所得结果可直接用于开发水结晶驱油方法。
2019-09-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Frequency dependence of specific heat in supercooled liquid water and emergence of correlated dynamics
本文通过大量的计算机模拟和理论分析，研究了过冷液体水比热异常的分子起源。模拟结果表明，等压比热随温度的降低而急剧增加，而等容比热在同一温度范围内随温度的变化不大。我们计算了温度涨落之间的时空相关性，并研究了比热随频率的变化。当温度低于270 K时，后者在低频区表现出快速增长。为了理解这种增加的微观基础，我们已经进行了一个壳明智的分解的贡献，遥远的分子在中心分子的温度波动。这种分解揭示了出现，在低温下，时间上缓慢，空间上长范围的大的温度波动。温度波动时间关联函数（TFCF）可以拟合为William-Watts拉伸指数形式，在低温下拉伸参数接近0.6，表明具有高度的非指数弛豫。关联函数的弛豫时间的温度依赖性可以拟合到Vogel-Fulcher-Tamermann表达式，该表达式提供了液体脆性的定量测量。有趣的是，我们发现TFCF的弛豫时间随着温度的降低而快速增长，在220 K附近经历了一个从显着脆性状态到弱脆性状态的急剧交叉。
2013-03-30 cond-mat.soft physics.chem-ph
Entropy-driven liquid-liquid separation in supercooled water
20年前，Poole等人（Nature 360，324，1992）提出，过冷水的异常性质可能是由临界点引起的，该临界点终止了低密度水和高密度水的液-液分离线。在这里，我们提出了一个明确的热力学模型基于这个假设，它描述了所有可用的实验数据过冷水具有更好的质量和更少的可调参数比任何其他模型建议到目前为止。低温下的液态水被看作是两种具有不同熵和密度的分子结构的“无热溶液”。替代水的流行模型，其中液-液分离由能量驱动，在无热的双态水中的相分离由增加压力时的熵驱动，而临界温度由“反应”平衡常数定义。特别是，该模型预测的位置的密度最大值在一个接近恒定的分数（约0.12）的低密度结构的轨迹。
2017-08-11 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Electrocrystallization of Supercooled Water Confined between Graphene Layers
过冷水在外加静态电场中结晶的一个关键特征是，这里的结构顺序不仅由通常的热力学和运动学因素决定（过冷度、液体和晶体的化学势之间的差以及粘度），而且还取决于所施加的电场的强度和方向、系统的大小（尺寸效应）和边界曲面的几何形状。在这项工作中，在$T=268$ ~K的温度下，被限制在理想平坦的平行石墨烯片之间的过冷水的电结晶已经被考虑在这项工作中。它已被建立，结构顺序是由两个特征模式。初始模式与偶极水分子在外加电场作用下的取向有关。随后的模式的特征在于亚稳系统弛豫到结晶相。垂直于石墨烯片施加的均匀电场抑制了结构有序化，而横向施加的电场促进了立方冰$I_c$的形成。
2020-01-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Corresponding states for mesostructure and dynamics of supercooled water
众所周知，水在冻结时会膨胀，这是由液体在接近其冻结温度的温度下的负膨胀系数所预示的。这些行为，以及许多其他的，反映了当地四面体安排的水分子和熵的影响，反对it. Here，我们提供的理论分析，这种竞争的介观影响，平衡和非平衡，包括介导的接口。与一般的缩放参数支持的模拟结果，并与减少单位，阐明相应的状态，我们推导出一个相图散装和承压水和类水材料。对于水本身，相应的状态涵盖150 K至300 K的温度范围和1 bar至2 kbar的压力范围。在这种情况下，有两个可逆的凝聚相-冰和液体。在平衡之外，存在不可逆的多晶现象，即，一个以上的玻璃相，反映了动态逮捕的粗化冰。温度-时间曲线的推导来表征不同阶段的时间尺度，并解释不同的类水系统的对比动力学行为。
2015-01-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Beyond Local Structures In Critical Supercooled Water Through Unsupervised Learning
针对过冷水液-液临界点的结构识别问题，本文用无监督学习比较局部与非局部描述符，发现纳米尺度非均质性可揭示HD/LD畴及密度涨落起源。
2024-03-29 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.data-an
Two-state thermodynamics of the ST2 model for supercooled water
ST 2模型的热力学性质的过冷液体水表现出类似于在真实的水观察到的异常。这些异常现象的一个可能的解释是存在一个亚稳态的，由临界点终止的液-液转变。这种现象，其可能存在于真实的水是目前许多实验工作的主题，已经明确地证明了这个特定的模型，最新的模拟。在这项工作中，我们再现了两个版本的ST 2模型的状态方程描述水作为一个非理想的“混合物”的两种不同类型的本地分子秩序的异常。我们表明，在ST 2水的液-液转变是能量驱动的。这与另一种流行的模型mW相反，在mW中，两种替代的局部分子顺序的混合的非理想性是熵驱动的，并且不足以强到诱导液-液转变。
2014-02-17 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Importance of nuclear quantum effects on the structure of supercooled water around its liquid--liquid critical point
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)（先进系统理解中心）；Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）；Paderborn University（帕德博恩大学）；Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学）
研究通过比较经典分子动力学和路径积分分子动力学模拟，探讨核量子效应如何影响超冷却水液-液相变的结构特征。
2026-05-18 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Electrocrystallization of Supercooled Water in Confinement
本文讨论了在稳定电场作用下，完整石墨烯层中所包含的宽度为$d=3.97$ ~nm的过冷水薄膜的结晶特性。发现垂直于石墨烯层施加的电场阻碍了结构有序化，而在横向方向上施加的电场有助于立方冰（$Ic$）相的形成，与六方冰（$Ih$）相相比，立方冰（$Ic$）相在热力学上不太稳定。结果表明，在没有形成中间晶相的情况下发生了$Ic$晶相的生长。结果表明，结晶速率强烈依赖于所施加的电场的大小。特别地，如果施加小于$0.07~\rm{V/Å}$的大小的电场，则系统的完全电结晶过程不会在模拟时间尺度（$\sim 40$ ~ns）上出现。
2020-05-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Viscosity and self-diffusion of supercooled and stretched water from molecular dynamics simulations
在水的众多异常中，压力下的动力学加速尤其令人困惑。虽然在实验中观察到的扩散率异常已被复制在几个计算机研究，平行粘度异常受到较少的关注。在这里，我们模拟粘度和自扩散系数的TIP4P/2005水模型在广泛的温度和压力范围。我们重现了实验行为，并在负压下发现了其他异常。压力对动力学性质的异常影响在冷却后变得更加明显，在220 K时粘度达到两个数量级。我们分析了我们的结果与动态扩展的热力学两态模型，这种方法已被证明是成功的，在描述实验数据。水被认为是一个相互转换的物种与对比的动态行为的混合物，一个是强大的（Arrhenius），和其他脆弱的（非Arrhenius）。两状态模型的动态参数实验和仿真结果非常接近。更大的压力范围内访问模拟表明修改的动态两态模型，这反过来又提高了与实验数据的一致性。此外，我们的模拟证明了作为温度$T$的函数的粘度$η$和自扩散系数$D$之间的解耦。当$T$降低时，与由两种相互转换物质的相等分数定义的Widom线有关，斯托克斯-爱因斯坦关系式被违反，该关系式预测了一个常数$D η/T$。这些结果提供了水的热力学和动力学的统一图景，并要求在负压下进行实验。
2018-07-27 cond-mat.soft physics.chem-ph
Equation of state for supercooled water at pressures up to 400 MPa
本文提出了一个计算冷水和过冷水热力学性质的状态方程。它适用于从均匀冰成核温度到300 K的温度和高达400 MPa的压力，并且可以外推到1000 MPa。状态方程的密度，膨胀系数，等温压缩性，声速，和热容的实验数据进行了比较。估计的准确性的方程。冰I的融化曲线是由所提出的方程和现有的冰I状态方程之间的相平衡条件计算的。
2014-09-08 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Electron Diffraction of Water in No Man's Land
本文提出一种在明确温度下快速制备深度过冷水并用电子衍射在结晶前探测的方法，发现水从室温冷却至略低于200 K时结构平滑演化为接近非晶冰，从而缩小了水异常起源的解释范围并开辟了过冷水研究新途径。
2022-11-08 physics.chem-ph
Liquid-liquid-like phase transitions between high, mid, and low density phases in confined water
过冷水的液-液相变是一个长期存在争议的问题。我们显示了真正的稳定的一级相变之间的高密度和低密度液体（HDL和LDL）的结构在受限的过冷水在正负压力的模拟结果。这些拓扑相变起源于分子交换被冻结后分子转动模式下的氢键网络有序化。这是解释的序参量依赖的自由能变化混合后的类液体和冰的氢键取向的部分，这是由他们的两个多体相互作用。这种未经探索的纯氢键取向驱动的拓扑相给出了具有高密度和低密度结构的中等密度和稳定的中间混合相。过冷水的相图显示了水的第二和第三临界点。
2020-06-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Shear viscosity and Stokes-Einstein violation in supercooled light and heavy water
本研究测量了过冷重水的剪切粘度并确认了轻水数据，发现基于布朗运动的测量结果与现有毛细管数据存在分歧，同时分析了两种同位素粘度比的显著增加及其动态性质的解耦现象。
2022-03-11 cond-mat.other physics.chem-ph
Simulations of LiCl-Water: The Effects of Concentration and Supercooling
LiCl的水溶液可能是与低温下液态水的复杂性相关的研究最多的电解质溶液。尽管有大量的实验数据，几乎没有任何计算研究在这方面进行氯化锂的解决方案。在这项研究中，我们提出了分子动力学模拟的氯化锂-水在环境和过冷条件下跨越一个大的浓度范围。获得的分子洞察力提供了关于离子的存在如何影响氢键网络的信息。研究发现，当考虑过冷态时，这种影响发生了明显的变化。在室温下，第一水合层以外的水分子的局部结构几乎不随浓度变化，而在低温下，这些分子的结构发生了变化。此外，我们仔细研究的可能性相分离，在这个系统中所示的几个实验研究。我们的分析没有显示出这样的相分离在240 K的迹象，但在更低的温度下可能的分离是一致的。
2020-04-27 cond-mat.soft physics.chem-ph
Ice is Born in Low-Mobility Regions of Supercooled Liquid Water
当冰晶从液态水中诞生时，会发生两个关键的变化：（i）分子有序;（ii）分子的流动性随着它们采用晶格位置而下降。大多数关于冰成核（和一般的结晶）的研究都集中在理解前者，而对后者的关注较少。然而，过冷水表现出迷人的和复杂的动力学行为，最显着的动力学不均匀性（DH），空间分离的相对移动和不移动的粒子共存的现象。引人注目的是，水的DH和冰的成核之间的微观联系还没有在分子水平上直接解开。在这里，我们通过计算机模拟来解决这个问题，它揭示了：（i）冰成核发生在液体的低流动性区域;（ii）有一个动态的潜伏期，在此期间，分子的流动性下降之前，任何冰状排序;和（iii）冰状集群引起周围水分子的动力学被捕。有了这个，我们建立了一个明确的动力学和成核之间的联系。我们预计，我们的研究结果将铺平道路的检查中的作用，动力学的异质性和解决方案为基础的成核。
2018-12-05 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
New metastable ice phases via supercooled water
本文通过乳化水稳定过冷水，在均相成核温度附近等温压缩直接结晶出两种新型高压亚稳冰相XXI和XXII，并结合衍射与分子动力学模拟揭示其复杂结构，为弥合水的计算与实验相图差距提供关键实验基准。
2025-07-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Nanobubble size controls gas hydrate nucleation in supercooled water
Indian Institute of Technology Madras（印度理工学院马德拉斯分校）；Center for Atomistic Modeling and Materials Design, Indian Institute of Technology Madras（印度理工学院马德拉斯分校原子模拟与材料设计中心）；Indian Institute of Technology Patna（印度理工学院巴特那分校）
针对气体水合物形成机制中气泡影响不明的问题，本研究通过分子动力学模拟探究甲烷纳米气泡尺寸对过冷水水合物形成的调节作用，揭示了气泡尺寸与水合物形成程度的相关性，提供了分子层面新见解。
2025-11-11 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
On the possibility of homogeneous nucleation of water droplets and/or ice crystals during the bounces of a cavitation bubble
已知声空化在过冷水中触发冰成核。在文献中已经提出了几种相互竞争且仍有争议的机制，这些机制与气泡崩溃结束时气泡附近的压力场有关。气泡动力学的数值模拟表明，在气泡膨胀的反弹主要崩溃后，气泡核心温度达到远低于0 °C的值约500 ns的时间周期。在这些时间间隔期间，气泡中存在的水蒸气在回到蒸气区域之前探索相图的液体和固体区域。在近似成核动力学计算的基础上，我们研究了在这些漂移过程中，液滴在气泡核中均匀成核的程度。我们还讨论了成核团簇到达气泡壁并在周围液体中触发冰成核的可能性，如果后者是过冷的。
2018-10-19 cond-mat.soft physics.chem-ph
Liquid-liquid transition in supercooled aqueous solution involving a low-temperature phase similar to low-density amorphous water
在1960- 70年代发现的过冷水物理性质的惊人异常仍然没有完全理解，因此在理论家之间提供了争议的来源，并刺激实验学家和模拟器寻找穿透“结晶幕”的新方法，有效地屏蔽了问题的解决方案。最近，一个新的门的问题是打开显示，在理想的解决方案中，使用离子液体溶质，水的异常不破坏早期发现的普通盐和大多数分子溶质，而是被增强到沉淀一个明显的一级液-液转变的点。证据是在冷却过程中表观热容的峰值，在任何冰结晶的迹象出现之前，在重新加热过程中可以完全逆转。在这里，我们使用双振荡器红外光谱来定义这种现象的结构特征，使用类似的向下和向上扫描速率在量热研究。薄膜样品也允许慢扫描（1 K/min），其中过渡的宽度小于1 K，并且是完全可逆的。OH光谱在相变温度下不连续地变化，表明氢键结构的离散变化。光谱的变化表明，低温液体是更强的氢键和更少的无序相比，高温液体。低温液体的光谱基本上是在低密度无定形水中看到的。这种相似性表明，这里观察到的液-液转变也存在于纯净的过冷水中，为许多异常现象提供了统一的解释。
2016-05-29 physics.chem-ph
Nature of the anomalies in the supercooled liquid state of the mW model of water
水的mW模型的过冷液体态的热力学性质表现出反常行为。与真实的水一样，热容量和压缩性在过冷时急剧增加。这些异常的可能解释之一，存在第二个（液体-液体）临界点，不支持这个模型的模拟。在这项工作中，我们再现了异常的mW模型与两个热力学方案：一个基于非理想的“混合物”与两种不同类型的当地秩序的水分子，和一个基于弱结晶理论。我们表明，这两种描述准确地再现模型的基本热力学性质。然而，弱结晶理论所隐含的幂律所需的耦合常数相对于规则背景太大，与弱结晶理论的假设相矛盾。波动校正范围以外的这项工作将是必要的，以适应弱结晶理论预测的形式。对于两态方法，在mW模型中的分子的低密度分数的直接计算是符合的唯象状态方程的预测。两种状态的“混合物”的非理想性永远不会变得足够强以引起液-液相分离，这也与模拟结果一致。
2013-04-01 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Statistics of small length scale density fluctuations in supercooled viscous liquids
许多成功的接近熔化温度的液体理论假设小的长度尺度密度波动遵循高斯统计。在本文中，我提出了在过冷粘性制度使用增强采样方法的波动的数值研究。我目前的结果为单组分Lennard-Jones液体，Kob-Andersen二元混合物，Wahnström二元混合物，Lewis-Wahnström模型的邻三联苯和水的TIP 4P/冰模型。结果表明，高斯近似在过冷粘性区仍有很好的适用性，但在低温区精度较低。我把非高斯涨落与晶体结构联系起来。玻璃化转变理论的影响进行了讨论。
2018-11-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Shrinking of Rapidly Evaporating Water Microdroplets Reveals their Extreme Supercooling
微米级水滴在真空中的快速蒸发冷却为研究过冷水-低于熔点但仍然是液体-在远远超过最先进的温度下提供了有吸引力的可能性。然而，在这种极端的实验条件下获得液滴温度的可靠值是具有挑战性的。在这里，从一个流的完全均匀的水滴的拉曼散射中的形态依赖的共振的观察，使我们能够测量的绝对精度优于0.2%的液滴大小的变化，蒸发质量损失。这一发现被证明是至关重要的一个明确的确定液滴温度。特别地，发现一部分初始直径为6379 $\pm$ 12 nm的水滴在低至230.6 $\pm$ 0.6 K时保持液态。我们的研究结果质疑最近报道的较大的过冷水滴的温度估计，并提供有价值的信息，在难以进入的深度过冷制度的液态水的氢键网络。
2017-11-07 cond-mat.other physics.chem-ph
The Putative Liquid-Liquid Transition is a Liquid-Solid Transition in Atomistic Models of Water, Part II
本文扩展了我们早期对过冷水模型的密度和结晶序参量的自由能函数的研究，这使我们能够研究两种不同亚稳液相的可能性[J. Chem. Phys. 135，134503（2011）和arXiv：1107.0337v2]。计算了几种不同原子模型的低温可逆自由能表面：mW水，TIP 4P/2005水，SW硅和ST 2水，其中最后一个比较了三种不同的长程力处理。在每种情况下，我们表明，有一个稳定的或亚稳的液相，有一个冰状的晶体相。在这些系统中的结晶的时间尺度远远超过那些在过冷亚稳液体的结构弛豫。我们展示了这种在时间尺度上的广泛分离如何产生低温液-液转变的错觉。两个不同的液相的亚稳性的现象，实际上是粗化的有序的冰状相，我们阐明使用分析理论和计算机模拟。对于后者，我们描述了强大的方法计算可逆的自由能表面，我们认为静电边界条件的影响。我们表明，模型和边界条件的合理改变不会对这些系统的低温相行为产生质的变化，而只是状态方程的微小变化。另一方面，我们表明，改变采样时间尺度可以产生大的和定性的非平衡效应。最近的报告中的证据的液-液临界点在计算机模拟过冷水被认为是在这个光。
2013-05-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Emergent Facilitation and Glassy Dynamics in Supercooled Liquids
本研究提出解释过冷液体中动力学促进微观起源的理论，通过线弹性与马尔可夫过程建模，重现并预测了玻璃态动力学的多项关键特征，推导了声子与激发共同作用下的弛豫及扩散行为。
2023-10-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Isotope effects in supercooled H$_2$O and D$_2$O and a corresponding-states-like rescaling of the temperature and pressure
本文通过对应态类重标定方法，利用已有数据和状态方程，证明过冷H$_2$O和D$_2$O的热力学性质差异可由低温对应关系调和，支持液-液临界点假说解释水的异常。
2024-03-13 cond-mat.other cond-mat.soft physics.chem-ph
Free energy landscapes for homogeneous nucleation of ice for a monatomic water model
采用MW单原子水势，在等压-等温系综中模拟了220 K下过冷液体水的均匀成核过程。为了确定成核自由能垒，进行了使用伞形取样的蒙特卡罗模拟。我们发现吉布斯能曲线与经典成核理论预测的相对一致;成核的自由能垒被确定为~18 kT，临界核包括~85个冰粒。从过冷液体的生长得到主要是立方的簇，而从立方或六边形冰的预形成的亚临界核开始导致仅主要是该冰相的生长。
2011-12-21 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Connection between water's dynamical and structural properties: insights from ab initio simulations
在所有流体中，水由于其丰富的特性一直受到来自各种研究领域的科学家的特别关注。特别是，一些问题仍然没有得到解答，现在关于过冷水和液态水的体积和界面输运性质的温度依赖性，例如，关于违反斯托克斯-爱因斯坦关系在过冷制度或结构和动力学性质之间的微妙关系的基本原理。在这里，我们研究了从基于密度泛函理论的从头算分子动力学的体输运性质的温度依赖性，到过冷制度。我们确定从选择的泛函，扫描更好地描述了实验粘度和自扩散系数，虽然我们发现在最低温度下的分歧。对于有限的温度范围，我们还使用从头算分子动力学探索了核量子效应对水动力学的作用，该动力学已通过最近引入的机器学习方法加速。然后，我们研究了不同的泛函性能的分子机制，并评估了斯托克斯-爱因斯坦关系的有效性。我们还探讨了结构性质和输运系数之间的联系，验证了所有泛函的超额熵标度关系的有效性。这些结果为从径向分布函数预测输运系数铺平了道路，有助于开发更好的泛函。在这条线上，他们指出了描述径向分布函数的长程特征的重要性。
2021-12-10 physics.chem-ph physics.flu-dyn
Causality in Liquid Water as a Hallmark of Emergent Glassy Dynamics
The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics（阿卜杜斯·萨拉姆国际理论物理中心）
研究通过因果推理度量揭示液态水在不同热力学条件下动态耦合的重新组织，发现超冷却高密度液态水中超速运动主导动力学，暗示玻璃系统特征的松弛机制。
2026-09-25 physics.chem-ph
Comment on "Spontaneous liquid-liquid phase separation of water" by T. Yagasaki, M. Matsumoto and H. Tanaka, Phys. Rev. E 89, 020301 (2014)
Yagasaki等人从分子动力学轨迹中展示了冰的粗化，他们将其解释为液态水的两个不同的过冷相之间短暂共存的证据。我们指出，两种不同的液体，也没有证明在这个模拟研究的临界性。相反，所示的轨迹与其他人在早期作品中分析和预测的粗化行为一致。
2014-07-21 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Hiding in the crowd: Spectral signatures of overcoordinated hydrogen bond environments
具有过量氢键伙伴的分子在基本化学过程中起着至关重要的作用，从过冷水中的异常扩散到水质子缺陷的运输和疏水溶质周围水的有序化。在这里，我们表明，过协调的氢键环境可以识别在环境和过冷制度的液态水相结合的实验拉曼多变量曲线分辨率测量和机器学习加速量子模拟。特别是，我们发现，OH基团出现在光谱区域通常与非氢键物种实际上对应于氢键形成过协调的环境中。我们进一步表明，只有这些物种表现出人口的营业额作为温度的函数，这是强大的，并持续在恒定的压力和密度条件下。因此，这项工作提供了一个新的工具来识别，解释和阐明拥挤的氢键网络的光谱特征。
2019-06-21 cond-mat.other cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
