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說起水，我們一點都不陌生，它在日常生活中隨處可見。而就是這樣一個簡單的分子，卻一直站在科學(xué)界關(guān)注的前沿。它不僅在量子領(lǐng)域大放光彩，即使在最基本的物理化學(xué)性質(zhì)上，也一直顛覆著我們原有的認(rèn)知。

撰文 | Richard Saykally（加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)教授）

翻譯 | 趙冰瑩

審校 | 王怡博

“水很無聊。”這是我已故母親的話，它似乎反映了多數(shù)人的觀點。常見的水，不是很簡單嗎？而另一方面，在偽科學(xué)的煽動下，世界上的另一些人似乎對順勢療法、水記憶等“神奇特性”深信不疑。

事實上，真相介于兩者之間。沒錯，水非常常見，它是宇宙中第三常見的分子。但是，與我母親的觀點相反，它也是復(fù)雜的。接下來要介紹的就是與水有關(guān)、至今仍未解決的幾個科學(xué)問題。

1

究竟有多少種冰？

據(jù)最新統(tǒng)計，固態(tài)水有17種不同的晶體形式。然而，在實驗室之外，只有Ih型冰這一種形式普遍存在于地球上。第二種形式的結(jié)晶冰是Ic型，它在高層大氣中少量存在，而另外15種形式的冰只在非常高的壓力下才會出現(xiàn)。(在星際空間也有大量的冰，但它們通常以無定形的非晶態(tài)凍結(jié)在塵粒上。）

如此繁多的結(jié)晶冰形態(tài)源于水分子間的四面體網(wǎng)絡(luò)，它是由相鄰水分子之間較強的氫鍵構(gòu)成的。在水的凝聚相中，每個水分子都盡可能優(yōu)化其形成氫鍵的能力，就是為了在近四面體的鍵角方向形成四個氫鍵。Ih型冰內(nèi)部的氫鍵形成的是一個開放的、低密度的三維結(jié)構(gòu)。

冰：液態(tài)水（左）由氫原子（白色）和氧原子（紅色）組成，以近乎四面體的結(jié)構(gòu)排列。普通的冰（即Ih型冰，右圖）的結(jié)構(gòu)是密度較小的三維網(wǎng)絡(luò)，這是冰會浮在水面上的原因。（圖片來源：Wikimedia）

對包括結(jié)晶冰、單質(zhì)碳、硅和磷在內(nèi)的四面體物質(zhì)施加壓力，可以使低密度的固體形態(tài)坍縮，從而形成一系列密度依次升高的結(jié)構(gòu)，大概直到形成極致的密堆積結(jié)構(gòu)就不再繼續(xù)坍塌。這就形成了我們目前所觀察到的17種形式的結(jié)晶冰。未來，還會有更多的發(fā)現(xiàn)嗎？

2

有兩種液態(tài)水嗎？

幾十年前，日本科學(xué)家聲稱，他們在高壓下觀察到了無定形冰的兩相轉(zhuǎn)換。由于無定形冰本質(zhì)上是相應(yīng)液體的靜態(tài)快照（frozen snapshot），無定形冰具有兩相就意味著必然存在兩種類型的液態(tài)水：常規(guī)的、低密度的水，以及類似于高壓無定形冰的高密度水。

隨后的模擬也支持了這一推斷。他們研究了當(dāng)溫度低于冰點，但高于 “均相成核溫度”（低于此溫度液態(tài)水就不存在）時，水有可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變。結(jié)果，在這個所謂的 “深度過冷”區(qū)，他們找到了兩種液態(tài)水之間發(fā)生相變的證據(jù)。

然而，也有科學(xué)家認(rèn)為，這些結(jié)果是人為導(dǎo)致的。而且根據(jù)統(tǒng)計力學(xué)的原理，這種轉(zhuǎn)變不太可能發(fā)生。它們發(fā)生在遠離平衡態(tài)的地方，難以被觀察和模擬。事實上，遠離平衡狀態(tài)的行為目前是凝聚態(tài)理論的一個前沿領(lǐng)域。

3

水是如何蒸發(fā)的？

液態(tài)水的蒸發(fā)速率是現(xiàn)代氣候模型中主要的不確定因素之一。它決定了云中水滴的大小分布，而水滴的大小反過來決定了云是如何反射、吸收和散射光線的。

但是，水蒸發(fā)的確切機制還沒有被完全理解。蒸發(fā)速率通常表示為：分子間的碰撞速率乘以一個修正因子，這個因子也被稱為蒸發(fā)系數(shù)，在0和1之間變化。在幾十年的時間內(nèi)，這個系數(shù)的實驗測定值的變化幅度甚至超過3個數(shù)量級。而對這個系數(shù)的理論計算也遇到了阻礙，這個過程需要龐大的計算量和很長的模擬時間。

加州大學(xué)伯克利分校的David Chandler和同事利用了一種能夠描述這種現(xiàn)象的理論，即過渡路徑取樣（transition path sampling），計算了水的蒸發(fā)系數(shù)。他們得出了一個接近1的數(shù)值。這與最近的液體微噴（liquid microjet）實驗結(jié)果相當(dāng)，在該實驗中普通水和重水的蒸發(fā)系數(shù)均為0.6。

然而，還是有幾個問題存在。首先，目前仍然不清楚為什么在與大氣壓相當(dāng)?shù)臈l件下進行的實驗得到的數(shù)值要低得多。另外，過渡路徑取樣模擬理論表明，蒸發(fā)的本質(zhì)在于一種異常大的毛細波，會沿著垂直于液體表面的方向移動，它拉長了與要蒸發(fā)的水分子相連的氫鍵，從而削弱了這些氫鍵的力量，使水分子能夠擺脫彼此間的束縛、蒸發(fā)出去。在水中加入鹽會提高表面張力，從而抑制毛細波的振幅，這理應(yīng)會降低蒸發(fā)速率。但實驗結(jié)果表明，加入鹽對蒸發(fā)速率幾乎沒有影響。

4

水的表面是酸性還是堿性？

有關(guān)尼亞加拉大瀑布周圍的霧氣不同尋常的一點在于：單個水滴的流動就像可移動的負電荷一樣。大多數(shù)瀑布也是如此。長期以來，這種現(xiàn)象被用來證明，液滴表面聚集的是帶負電的氫氧根離子(OH-)，這意味著液滴表面是呈堿性的，pH值大于7。事實上，在膠體科學(xué)領(lǐng)域，這種想法已經(jīng)成為了一種默認(rèn)的“事實”。

液態(tài)水的表面含有大量斷裂的氫鍵，因此表面的化學(xué)環(huán)境完全不同于體相（沒有斷裂的化學(xué)鍵）。最近的一些實驗和計算研究指出，液態(tài)水的表面有可能是由氫離子(H+)主導(dǎo)的，而不是膠體科學(xué)通常認(rèn)為的氫氧根負離子，這樣就產(chǎn)生了酸性的 (pH值小于7)帶正電表面。

化學(xué)和生物學(xué)中的許多重要過程，如大氣中的氣溶膠-氣體交換、酶催化和跨膜質(zhì)子運輸，都涉及到水表面的質(zhì)子交換，而且直接取決于水表面的pH值，但它目前仍然是一個未知的量。

5

納米水有什么不同？

水并不總是流動在海洋里。無論是在自然界還是在人造設(shè)備中，水經(jīng)常被限制在難以想象的微小空間內(nèi)，比如反膠束、碳納米管、質(zhì)子交換膜和干凝膠(一種多孔的玻璃狀固體)。

在只有幾百個分子大小的微小空間內(nèi)，被固體“墻壁”限制的水分子開始呈現(xiàn)出量子力學(xué)效應(yīng)，包括離散性和量子相干性，與體相水分子的性質(zhì)完全不同。這些獨特的量子力學(xué)性質(zhì)影響深遠，從生物細胞到地質(zhì)結(jié)構(gòu)，都有可能受到影響。這種現(xiàn)象也可能具有相當(dāng)大的實際應(yīng)用價值意義，例如用于設(shè)計效率更高的脫鹽（去除水中的陰陽離子）系統(tǒng)。

然而，目前的結(jié)果仍然有些模棱兩可，科學(xué)家還需要做更多的工作才能確定限域條件下水分子的本質(zhì)。

https:///issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water

來源：環(huán)球科學(xué)

編輯：觀山不易