埃默里大学（Emory University）的化学家团队已经利用机器学习开发了第一个水的完整量子力学模型，该模型可以详细、准确地描述大量水分子如何相互作用[1]。研究人员还为该模型开发了免费的开源软件——q-AQUA。

相关研究作为封面文章发表在《物理化学快报》上[2]。

《物理化学快报》6月刊封面。

水覆盖了地球表面的大部分，对所有生物体都至关重要。它由简单的分子组成：每个水分子由两个氢原子和一个氧原子结合而成。尽管水的组成简单并广泛存在，描述H2O分子的相互作用在任何条件下都存在重大挑战：尽管牛顿定律支配着经典世界中重物的行为、行星的运动；然而在原子和电子水平上的极轻物体是量子世界的一部分——受量子力学系统的薛定谔方程支配。

“每个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成，按重量计算，人类身体的70%都是水；然而从化学的角度来看，我们并不真正了解水分子如何与生物系统相互作用。”埃默里大学理论化学教授、该研究的资深作者Joel Bowman表示，虽然经典世界中大而复杂的问题可以分为需要解决的碎片，但量子世界中的物体太“模糊”，无法分解成离散的碎片。

Bowman是反应动力学理论专业创始人之一，大部分职业生涯都致力于寻求对各种形式的水的更深入理解。

研究人员试图通过将水分解成水分子簇的相互作用来产生水的量子模型。Bowman把它比作聚会上聚集成两个、三个或四个人的对话小组的人。“想象一下，你试图想出一个模型来描述每个人群中的对话，并且可以扩展到整个聚会。首先，需要收集两个人说话的数据，并确定他们在说什么、谁在说什么以及谈话的含义。当你试图对三个人之间的对话进行建模时，它会变得更加困难。当你最多有四个人时，这几乎是不可能的，因为有太多的数据向你袭来。”

因此，研究人员使用了强大的机器学习技术，使计算机能够捕获多个水分子组的相互作用。“把它带到四体水平是非常困难的，这是以前没有人做过和发表过的研究，”Bowman说，“我们知道如果能够实现这一目标，从某种意义上说，将是整个过程的顶点。”然而，与人不同的是，单个水分子都是相同的。这种对称性使研究人员能够在两体、三体和四体水分子的集合之间的相互作用模型的基础上进行构建，以便将其应用于更大的分子组。

2体、3体、4体和各种水六聚体异构体的总解离能（千卡/mol）。

“水分子的四体相互作用似乎是控制水分子所有相互作用的最终相互作用。”为测试这一模型，研究人员在一定温度范围内对多达256个水分子同时在两个、三个和四个分子组的相互作用进行了计算机模拟。结果表明，即使在这种规模上，该模型也非常准确。

通过经典分子动力学（MD）和路径积分分子动力学（PIMD）模拟，对298K的液态水的OO、OH和HH径向分布函数的核量子效应。模拟在所有1体、2体、3体和4体相互作用的完整q-AQUA下进行。

“我相信我们已经找到了缺失的部分，对水有了一个完整的、微观的理解。之后可以将我们的模型带到多达3000或4000个相互作用的水分子，”Bowman说，“计算机的工作量将增加很多，但这些是我们下一步运行计划的模拟，因为我们已经为模型建立了概念证明。”

Bowman说，该模型也可以作为开发类似的、更简化的模型跳板：这些模型需要更少的计算机能力，但仍然足够准确并可以对水的量子力学做出有用预测。与此同时，作者希望其他研究人员能够下载免费的q-AQUA软件，并用它来深入研究更多关于水的未解问题。

参考链接：

[1]https://news.emory.edu/features/2022/06/esc-quantum_nature_of_water-28-06-2022/

[2]https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.2c00966