在自然界中，水表现出的多种“反常”特性长期困扰科学界。与大多数物质不同——固态冰的密度小于液态水——使地球水体能够从表层开始结冰，为水生生物留下生存空间；水在4℃时密度最大，促使湖泊形成相对稳定的温度分层；其高比热容又让海洋成为地球气候的重要调节器。研究表明，这些特性与地球生命的延续密切有关。经过三十年持续研究，由多国科学家组成的团队在极端实验条件下取得关键进展。研究显示，液态水中实际存在两种结构：高密度结构分子排列更紧密，近似晶体；低密度结构更松散，接近气态。在常温常压下，两种结构保持动态平衡。当温度降至4℃以下时，低密度结构比例上升，导致水出现反常膨胀；而在零下63℃、约1000倍大气压的临界点附近，两种结构会发生更清晰的相变分离。为捕捉这个短暂的变化，研究人员采用“非晶冰”作为介质，并利用韩国浦项加速器的X射线自由电子激光装置，在十亿分之一秒的时间尺度上记录分子结构的动态演化。相关成果发表于《科学》杂志，为解释水的异常性质提供了直接的实验依据。该发现至关重要。从理论上看，水的特殊性质并非偶然，而与其分子结构及相变行为直接相关。这也提示：宇宙中只要存在液态水的天体——无论是木卫二的冰下海洋还是火星极地的卤水——都可能呈现相似的物化环境。美国宇航局相关天体生物学家表示，这一结果有望提升地外生命探测的针对性，未来的冰卫星探测任务或将重点关注两种液态水结构转换的迹象。当前，研究团队正更建立更精确的水分子模型，预计在2026年前完成对多种极端条件下水行为的系统预测。中国科学院相关团队也已启动合作，计划依托上海光源等大科学装置开展后续研究。
水的“反常”并非偶然，而是其微观结构与相变规律在宏观世界的体现；对这些规律的更清晰认识，不仅推动基础科学向前，也提醒人们：支撑生命与文明的关键条件，常常隐藏在最常见的物质之中。面向重大科学问题的长期研究，将为理解地球、认识宇宙以及守护共同家园提供更坚实的知识基础。