在地球深处存在着水，但那里的液体不像表面上的水。
当水暴露在难以想象的高温和高压下时，会表现出各种奇怪的相和性质，从在高于沸点10倍的温度下保持液态，到同时以液态和固态存在。
这个奇怪的世界还没有被完全了解，但是芝加哥大学的一个科学家团队进行了量子模拟，以开发一个新的模型，研究水在极高的温度和压力下的行为。6月18日发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上的计算性测量结果，应该有助于科学家了解水在地幔构成中的作用，以及可能在其他行星上的作用。
“分子水平上的微妙物理可以影响行星内部物质的性质，”维克多·罗萨(Viktor Rozsa)说，他是芝加哥大学的一名研究生，也是这篇论文的第一作者。“从岩浆、水和其他液体的运动到整个地球的磁场，水分子尺度上的反应和电荷传输方式影响着我们对各种现象的理解。”
在研究中考虑的条件下——比我们的日常条件热40多倍，比大气压力大10万倍——水会定期地分裂并重新形成它自己的化学键。其结果是，与地球表面相比，它与其他矿物的相互作用非常不同。
几十年来，科学家们一直在试图确定这些原子之间究竟是如何相互作用的:要进行实验测试是极其困难的，因为水可以与仪器本身发生反应。“令人惊讶的是，我们对地壳下的水知之甚少，”该研究的第一作者、芝加哥大学分子工程学和化学教授、阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)高级科学家朱利亚加利(Giulia Galli)说。
但是在这些条件下，水存在于整个地幔中——地球内部的水可能比海洋中的水还多——科学家们想要知道它究竟是如何活动的，以便了解它在地球上的作用，以及它是如何在地幔中移动的。
加利的团队通过对一小组水分子在极高的压力和温度下进行量子力学模拟，建立了一个模型——在合成钻石所需的范围内。
他们的模型是在芝加哥大学研究计算中心(Research Computing Center at UChicago)进行的模拟实验的帮助下建立的，该模型为水在这种压力下的一些更神秘的性质提供了解释，比如奇怪的高导电性和它的分子如何分离和重新结合之间的联系。
它还预测并分析了一组有争议的测量数据，这些数据被称为水的振动光谱特征，或者分子运动的指纹，这些指纹揭示了分子是如何相互作用和运动的。
加利说，除了进一步了解我们自己的行星，“在我们的论文中进行这种模拟的能力，可能对建立系外行星的模型有重要的影响。”包括芝加哥大学的科学家在内的许多科学家正在缩小遥远行星的生存条件，这些行星可能具备创造生命的条件。
加利是分子工程研究所水主题研究小组的成员之一，该小组由詹姆斯·斯金纳领导，他是皇冠家族的分子工程教授。该小组力求了解水的物理、化学和生物表现，并开发应用，从创新的净化过滤器，到用于海水淡化和锂离子收集的新材料，到用于水化学和消毒的新催化剂。
加利说，尽管水无处不在，而且对我们极为重要，但模拟和研究水却是出了名的困难:“这是理解水的漫长旅程中的一步。”
这项研究的其他作者包括芝加哥大学的博士后研究员费德里科·吉贝蒂(Federico Giberti)和丁潘(Ding Pan)。丁潘曾是一名博士后助理，现在是香港科技大学(Hong Kong University of Science and Technology)的教授。
引文:“地幔条件下水的从头算光谱和离子电导率。2018年6月18日，Rozsa等人在《美国国家科学院院刊》上发表文章。https://doi.org/10.1073/pnas.1800123115
资助:国家核科学管理局管理科学研究生奖学金、中国国家自然科学基金、香港研究资助局、史隆基金会、中西部计算材料综合中心。