宇宙第三大分子「水」 還有哪些未完全解答的謎團？

　　2018年08月30日 08:28 新浪科技


　　

　　液態水（圖左）是由氫（白色）和氧（紅色）原子組成的，它們排列成一個近四面體結構。普通冰，或稱冰Ih（圖右），顯示了一個密度較小的三維網路，從而解釋了為什麼冰漂浮在水面上。

　　新浪科技訊 北京時間8月30日消息，據國外媒體報道，關於水，我們還知道什麼呢？它是濕的！它是透明的，它來自河流，高溫條件下可以沸騰，還能製造冰……

　　目前，美國加利福尼亞州大學伯克利分校化學教授理查德·薩伊克利（Richard Saykally）對水的自然屬性進行了深入研究，揭曉了鮮為人知的水秘密。

　　薩伊克利指出，我的母親7年前去世，享年99歲，她與我最後的一次談話中提到了水，她的談話中映射出全球一半人口的共同觀點——水是再平常不過的物質。然而，在偽科學和新時代大師的鼓動下，世界另一半居民似乎相信了順勢療法藥水、結構水、聚合水、水記憶等一些神奇的水特性。

　　從科學角度來講，水的本質介乎兩者之間，是的，水是非常普通常見的，事實上，它是宇宙中第三大最常見分子。但是與薩伊克利母親的觀點相反的是，水是平常物質——只是一種假象，至今仍有一些未完全解答的科學謎團：

　　1、 有多少種類型的冰？

　　依據最新統計數據，有17種不同晶體形式的固態水。然而，地球上僅有一種水晶體形式——「冰Ih」，存在於實驗室之外，另一種水晶體形式叫做「冰Ic」以極少量的形式存在於上層大氣，其它的15種水晶體僅存在於非常高壓的條件下（星際空間也有大量的水，但通常是無定型、非晶體、玻璃狀的冰，它們凍結在塵埃顆粒上）。

　　由於相鄰水分子之間形成了強氫鍵的四面體網路，從而形成了不同種類的晶體冰。在水的冷凝相中，每個分子通過近四面角度下形成四個氫鍵，從而優化氫鍵能力。冰Ih內部的氫鍵形成一個開放、低密度三維結構。

　　對包括晶體冰、碳元素、硅和磷在內的四面體物質施加壓力，可能會使低密度固體形式坍縮成一些密度更高的結構，大約可達到緻密極限等級。這就產生了我們迄今發現的17種晶體冰。

　　2、有兩種液態水嗎？

　　幾十年前，日本科學家曾聲稱，觀察到在高壓條件下兩個非晶質冰狀態之間的過渡進程，由於我們認為非晶質冰本質上是對對應液體的冷凍快照，這一觀察結果表明，兩種類型液態水必然存在：正常低密度水；類似於高壓非晶質冰的緻密高密度水形式。

　　隨後進行的模擬結果支持了這一觀點，他們研究了溫度低於冰點但高於「均相成核溫度」的水，在這個被稱為「深度過冷（deeply supercooled）」的區域，科學家發現了兩種液態水形式之間過渡階段的證據。

　　

　　最新實驗和計算似乎表明，水被固體壁限制在很小的空間，其大小相當於幾百個分子，最初表現為量子力學效應，包括離域和量子相干性。這些性質與那些大體積水存在顯著差異，可能影響從生物細胞至地質結構的任何事物。同時，這也可能具有很大的實際意義，例如設計更有效的脫鹽系統等。

　　然而，其他科學家認為這些結果是人為製造，基於統計力學理論，這種轉變不太可能發生。事實上，該結構的水形式距離水平衡非常遠，很難進行觀察和建模，遠離水平衡的行為正是當前冷凝物質理論的前沿領域。

　　3、水蒸發過程是怎樣的？

　　液態水蒸發速度是現代氣候模型的主要不確定因素之一，它決定了雲層中水滴大小分佈，進而決定了雲層如何反射、吸收和散射光線。但是水蒸發的確切機理仍不完全清楚，傳統理論來講，水蒸發速度代表分子之間碰撞速度，再乘以一個稱為蒸發係數的容差係數，蒸發係數的數值在0-1之間。幾十年以來，科學家對這一係數的實驗測定在3個數量級上發生了變化。蒸發是一種極其罕見的現象，需要長時間的大型計算機模擬，這一實際情況阻礙了理論計算。

　　美國加利福尼亞州大學伯克利分校戴維·錢德勒（David Chandler）和同事利用一種能夠描述該罕見事件的理論——「過渡路徑抽樣法（transition path sampling）」，計算水分蒸發係數，其結果接近於數值1。這與最新的液體微噴流實驗相當接近，相比之下普通水和重水的測試數值都為0.6。

　　然而，這項計算方式也存在著不足之處，首先，目前仍不清楚為什麼在更多大氣相關條件下進行的實驗會獲得較低的數值結果。同時，過渡路徑抽樣法模擬表明，水蒸發依賴於異常大量的毛細波（capillary wave）沿著水面運行，這將顯著拉緊和削弱附著在蒸發水分子上的氫鍵。如果在水中添加鹽將提高表面張力，抑制毛細波幅度變化，從而降低了水蒸發率。但是實驗表明，添加鹽幾乎沒有影響水蒸發率。

　　4、液態水表面呈酸性還是鹼性？

　　北美尼亞加拉大瀑布周圍的薄霧有一點值得注意：每個水滴都在移動，就好像它們帶有負電荷一樣。大多數瀑布都是如此，長期以來，這被解釋為液滴表面積累負氫氧根（OH-）離子的證據，這意味著液滴表面的pH值大於中性水pH值7。

　　液體水表面含有大量斷裂氫鍵，它們所產生的化學環境與其它物質大不相同。但是最近實驗和計算表明，水合質子（H+）實際上控制液態水表面，產生酸性（低於數值7） pH和帶正電荷的液滴水表面，而不是帶負電荷的液滴水表面。

　　化學和生物學中許多重要進程，例如：大氣溶膠-氣體交換、酶催化和跨膜質子運輸，都涉及到水表面的質子交換，並且明確地依賴於液滴表面pH值，目前還不知道這個數值是多少。

　　5、納米受限水存在差異嗎？

　　水並不總是在浩瀚的海洋中流動，無論是在自然界還是在人造裝置中，水經常被限制在難以想像的狹小空間里，例如：反膠束、碳納米管、質子交換膜和凝膠（它們是高孔隙度玻璃狀固體）。

　　最新實驗和計算似乎表明，水被固體壁限制在很小的空間，其大小相當於幾百個分子，最初表現為量子力學效應，包括離域和量子相干性。這些性質與那些大體積水存在顯著差異，可能影響從生物細胞至地質結構的任何事物。同時，這也可能具有很大的實際意義，例如設計更有效的脫鹽系統等。

　　然而，目前的結果仍然有些模糊不清，該領域還需要進行更多的工作，用於研究在空間受限下水的自然屬性。（葉傾城）