「水還有什麼我們不知道的呢？水是濕的、透明的、是從雨里來的，水可以燒開，可以積雪，還可以結冰！」

還有一半人則信了偽科學和新世紀「大師」的鼓吹，認為水具有種種神奇的性質，比如水的順勢療法、結構水、聚合水、水的記憶......

真相位於這兩種觀點之間。

是的，水的確普通，實際上，它在宇宙中最常見的分子中排名第三。水只是表面上簡單，實際卻很複雜。

下面冷知識王子就列舉幾個和水有關的科學謎題，而這樣的謎題還有許多。

冰到底有幾種？

照最新的統計，固態水共有17種晶體形態。但是在實驗室外，只有一種是地球上普遍存在的，它稱為「冰Ih」。還有一種冰Ic，只少量存在於大氣圈上層。

此外的15種冰，只有在極高的壓力下才能產生（恆星之間的太空里同樣有許多水，但那往往是附著在塵粒上的非晶形、玻璃態的冰）。

冰晶之所以形態如此多樣，都是因為相鄰的水分子用強大的氫鍵構成了一個四面體的網路。

當水處於凝聚態時，每一個水分子都會形成近乎四面體的四個氫鍵，從而最大限度地與其他水分子結合。冰Ih中的氫鍵構成了一個開放立體、且密度較低的結構。

大號冰：液態水（左）由氫原子（白色）和氧原子（紅色）組成，結構近乎四面體。普通的冰，即冰Ih（右）呈立體網路形狀，分子之間比較疏鬆，這解釋了冰為什麼會浮在水面上。

將壓力施加到冰晶、元素碳、硅和磷之類的四面體物質上，就能將密度較低的固體壓縮成一系列密度較高的結構，而且這個過程有可能推進到這些物質密度的極限。

這造就了我們目前觀察到的冰晶的17種形態。未來還會發現更多嗎？

液態水有兩種？

幾十年前，日本科學家聲稱觀察到了在高壓下非晶態冰（amorphous ice）的兩個相的轉化。

非晶態冰

我們認為，非晶態冰其實是相應的液態水的凍結「快照」，因此這個發現說明，必然存在著兩種液態水：一種是正常的低密度水，另一種是緊緻的高密度水，而後者對應的就是高壓力下的非晶態冰。

接下來的模擬也證實了這一猜測。研究者觀察了溫度在冰點以下、但是高於「均相成核溫度」（homogeneous nucleation temperature，在這個溫度以下液態水無法存在）的水。

在這個所謂「深度超寒」的區域，科學家發現了兩種液態水之間相變的證據。

不過，也有科學家批評這個結果是偽造的，他們認為這種相變不可能發生，因為它違背了統計力學的原理。這類變化的發生都遠離均衡狀態，因此很難觀測和模擬。

不過話說回來，遠離均衡狀態的行為也正是眼下凝聚態理論的一個前沿課題。

水是如何蒸發的？

液態水的蒸發速度是現代氣候模擬中的一大懸案。是它決定了水滴在雲朵中的粒徑分布，而這又決定了雲朵會如何反射、吸收、並散射光線。

然而，我們對水分蒸發的確切機制卻並不完全理解。

傳統的研究者一般用水分子間的碰撞速度來表示水的蒸發速度，此外再乘上一個叫做「蒸發係數」（evaporation coefficient）的修正因子，這個係數的值在0到1之間。

幾十年來，人們一直在用實驗方法確定蒸發係數，但算出的數值差異極大，相差超過三個數量級。

還有一件事使得理論計算難以進行：蒸發是一種極罕見的現象，需要長時間、大規模的計算機模擬。

加州大學伯克利分校的大衛·錢德勒（David Chandler）和同事使用了一個稱為「相變路徑抽樣」（transition path sampling）的理論來計算水的蒸發係數，這個理論是專門用來描述這類稀有事件的。

他們得出的數值接近1。而最近的幾次液體微噴射實驗（liquid microjet experiment）在正常水和重水中都得出了0.6的數值，和錢德勒的結果十分接近。

然而這個理論還是有一些漏洞。

首先，為什麼在大氣條件下開展的實驗會得出低得多的數值，這一點並不清楚。

其次，根據相變路徑抽樣理論，蒸發的速度取決於液體表面一個大得超乎尋常的毛細波（capillary wave，又名表面張力波），這個毛細波會將氫鍵拉伸、弱化，使它們無法留住蒸發的水分子。

在水裡加鹽會增加水的表面張力，抑制毛細波的振幅，從而理應減慢蒸發速度。但是實驗結果卻顯示，水裡加鹽的做法沒有多少效果。

液態水的表面是酸性還是鹼性？

籠罩在尼亞加拉瀑布上的水霧有一個顯著的特徵：看一個個液滴的運動，彷彿它們都帶了負電荷。這其實也是大多數瀑布的共同特徵。

長久以來，研究者都因此認為水滴表面積聚了帶有負電的氫氧化物離子，也就是說，液滴表面是鹼性的，其pH值大於中性水的7。實際上，這個觀點已經成為了膠體科學家中的公論。

淘氣的水霧：在尼亞加拉瀑布周圍，水霧中液滴的運動方式彷彿帶了負電

液態水的表面分布著大量斷裂的氫鍵，這使得它們有著與水團內部相當不同的化學環境。不過最新的實驗和計算卻顯示，水合質子（H+）才是液態水表面主要的離子，因此水表面呈酸性（pH值小於7）、且帶正電，而不是鹼性帶負電。

許多重要的化學和生物學過程，比如大氣氣溶膠的形成（其中包括氣體交換、酶的催化、以及跨膜質子轉運）都涉及水表面的質子交換，也取決於水表面pH值。然而這個值的大小，到現在還不為人知。

納米約束水有什麼不同？

水並不總是在浩瀚的海洋中洶湧。無論在自然還是人工環境下，水都常常會被約束在難以想像的狹小空間之內，像是反膠束、碳納米管、質子交換膜和干凝膠（一種表面多孔的玻璃狀固體）。

實驗和計算都指出，如果水被固體圍牆約束在一片微小的空間之中、而那個空間的大小隻相當於幾百個分子，這些水就會呈現出量子力學的效應，包括離域（delocalization）和量子相干性（quantum coherence）。

這些性質迥異於大量水呈現出來的性質，並會對生物細胞到地質結構在內的許多事物造成影響。它在實踐中也可能具有重大作用，比如用來設計效率更高的脫鹽系統。

但是目前來看，這個領域的成果還是有些模糊，要確認水在約束狀態下的性質，仍需要多做研究。

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