利用局域有利结构理解水的反常特性

水是一种由氢键分子构成的复杂结构液体，展现出一系列令人惊讶的反常特性（即水的反常现象），其中最著名的是约 $4^\circ$C 处的密度最大值。这些反常现象的起源仍存在争议，且目前尚缺乏从分子排列出发对水相行为的定量描述。在此，我们基于计算机模拟获得的微观数据，提供了一种简单的物理描述。我们引入了一种新的结构序参量，用于量化第二壳层的平移有序度，并表明仅凭该参量（其度量了局域有利结构的含量）即可准确表征水的状态。利用对这些微观结构的双态模型，我们描述了液相水在相图广阔区域内的行为，正确识别了密度和压缩率反常，并与深过冷区域存在第二临界点的假设相容。此外，我们揭示了水中的局域有利结构不仅在第二壳层具有平移有序性，还包含由氢键分子构成的五元环。这表明了其混合特性：前者有助于结晶，而后者则导致对结晶的阻挫。