水，這地球上最常見的物質，卻擁有許多令人費解的特性。其中最引人注目的現象之一，就是水在結冰時體積會膨脹，而不是像其他液體那樣收縮。這個謎團已經困擾科學家多個世紀。然而，日本大阪大學的一項最新研究，利用人工智慧（AI）成功破解了這一難題，並發表在《Communications Chemistry》期刊上。

AI 如何破解水的秘密？

研究團隊首先通過分子動力學模擬生成了過冷水的結構資料，然後將這些資料餵給類神經網路進行訓練。經過反覆試錯，AI 學會了辨識分子結構中有意義的模式。最終，研究人員通過這種方式評估了 16 種不同的結構描述子，找出了最能捕捉關鍵特徵的描述子。

「過去的研究顯示，用機器學習分類和理解結構資料相當有效」，論文通訊作者 Kang Kim 解釋道，「我們特別想在這項研究導入類神經網路模型，以類似人類認知的方式，評估這些描述子捕捉關鍵結構資訊的準確度。」

過冷水：理解水的關鍵

要理解這項研究，首先需要認識一種奇特狀態：過冷水（supercooled water）。在正常情況下，液態水要變成冰，水分子必須排列成整齊的晶格，這過程需要「起點」，即成核點。然而，如果完全沒有這些起點，水即使降到冰點以下，仍然可以維持液態，這就是過冷水。

在過冷狀態下，水的怪異性質會更加明顯。科學家認為，這與液態水內部兩種互相競爭的型態有關：高密度液體（HDL）與低密度液體（LDL）。在分子層次，水分子不斷形成又打斷彼此之間的氫鍵網路；溫度升高時，排列較緊密的 HDL 結構會逐漸壓過結構較鬆散的 LDL。

研究的影響與未來展望

這項研究等於為科學界建立了一套「評分標準」，以後研究水的微觀結構時，就知道該優先使用哪些工具。團隊表示，這套框架有助於釐清微觀結構變化如何連結到水的熱力學行為，可望進一步解釋水的種種異常性質從何而來，也為開發更好的水分子結構研究工具指引方向。

畢竟，從細胞生化反應到地球氣候，水無所不在。

從產業面來看，這項研究不僅有助於基礎科學的進步，還可能對工業應用帶來重大影響。例如，了解水在不同溫度下的行為，可以優化製冷技術，提高能源效率。此外，這項研究也可能為材料科學和環境科學提供新的視角。

行動呼籲

讀者們，這項研究揭示了水的許多未知之處，你是否對水的行為感到好奇？不妨深入探索這篇論文，或者關注相關領域的最新進展，或許你也能成為破解科學謎團的關鍵人物。

本文改寫整理自公開新聞來源，原始報導由科技新報發布。

常見問題 FAQ

為什麼水結冰會膨脹？

水結冰時體積會膨脹，因為水分子在結冰過程中會排列成整齊的晶格，這種排列方式使得分子間的距離變大，從而導致體積增加。

什麼是過冷水？

過冷水是指溫度低於冰點但仍保持液態的水。這種現象發生的原因是水分子沒有足夠的成核點來開始結冰過程。

這項研究的意義何在？

這項研究通過人工智慧找到了描述水分子結構的最佳方法，有助於進一步理解水的異常性質，並為開發新的研究工具提供方向。

※ 此篇文章由 AI 改寫或生成，內容僅供參考，可能存在錯誤或不準確之處。