当前位置:
首页 > 科技互联 > 这世上到底能有几种冰?关于水的五个未知事实

这世上到底能有几种冰?关于水的五个未知事实

红猪 /译)“水还有什么我们不知道的呢?水是湿的、透明的、是从雨里来的,水可以烧开,可以积雪,还可以结冰!政府给你们税金,就是为了让你们研究水?”

这几句来自我那位亲爱的母亲和我的最后对话之一,她是大约七年前过世的,在99岁高龄时仍十分节俭。她的话,代表了世界上一半人的观点:水是个无聊的东西。

还有一半人则信了伪科学和新世纪“大师”的鼓吹,认为水具有种种神奇的性质,比如水的顺势疗法、结构水、聚合水、水的记忆等等。

真相位于这两种观点之间。是的,水的确普通,实际上,它在宇宙中最常见的分子中排名第三。但是我母亲的观点却并不正确,水只是表面上简单,实际却很复杂。我下面就列举几个和水有关的科学谜题,而这样的谜题还有许多。

1.冰到底有几种?

照最新的统计,固态水共有17种晶体形态。但是在实验室外,只有一种是地球上普遍存在的,它称为“冰Ih”。还有一种冰Ic,只少量存在于大气圈上层。此外的15种冰,只有在极高的压力下才能产生。(恒星之间的太空里同样有许多水,但那往往是附着在尘粒上的非晶形、玻璃态的。)

冰晶之所以形态如此多样,都是因为相邻的水分子用强大的氢键构成了一个四面体的网络。当水处于凝聚态时,每一个水分子都会形成近乎四面体的四个氢键,从而最大限度地与其他水分子结合。冰Ih中的氢键构成了一个开放立体、且密度较低的结构。

大号冰:液态水(左)由氢原子(白色)和氧原子(红色)组成,结构近乎四面体。普通的冰,即冰Ih(右)呈立体网络形状,分子之间比较疏松,这解释了冰为什么会浮在水面上。图片来源:Jackie Ferrentino

将压力施加到冰晶、元素碳、硅和磷之类的四面体物质上,就能将密度较低的固体压缩成一系列密度较高的结构,而且这个过程有可能推进到这些物质密度的极限。这造就了我们目前观察到的冰晶的17种形态。未来还会发现更多吗?

2. 液态水是不是有两种?

几十年前,日本科学家声称观察到了在高压下非晶态冰(amorphous ice)的两个相的转化。我们认为,非晶态冰其实是相应的液态水的冻结“快照”,因此这个发现说明,必然存在着两种液态水:一种是正常的低密度水,另一种是紧致的高密度水,而后者对应的就是高压力下的非晶态冰。

接下来的模拟也证实了这一猜测。研究者观察了温度在冰点以下、但是高于“均相成核温度”(homogeneous nucleation temperature,在这个温度以下液态水无法存在)的水。在这个所谓“深度超寒”的区域,科学家发现了两种液态水之间相变的证据。

不过,也有科学家批评这个结果是伪造的,他们认为这种相变不可能发生,因为它违背了统计力学的原理。这类变化的发生都远离均衡状态,因此很难观测和模拟。不过话说回来,远离均衡状态的行为也正是眼下凝聚态理论的一个前沿课题。

3. 水是如何蒸发的?

液态水的蒸发速度是现代气候模拟中的一大悬案。是它决定了水滴在云朵中的粒径分布,而这又决定了云朵会如何反射、吸收、并散射光线。

然而,我们对水分蒸发的确切机制却并不完全理解。传统的研究者一般用水分子间的碰撞速度来表示水的蒸发速度,此外再乘上一个叫做“蒸发系数”(evaporation coefficient)的修正因子,这个系数的值在0到1之间。几十年来,人们一直在用实验方法确定蒸发系数,但算出的数值差异极大,相差超过三个数量级。还有一件事使得理论计算难以进行:蒸发是一种极罕见的现象,需要长时间、大规模的计算机模拟。 

加州大学伯克利分校的大卫·钱德勒(David Chandler)和同事使用了一个称为“相变路径抽样”(transition path sampling)的理论来计算水的蒸发系数,这个理论是专门用来描述这类稀有事件的。他们得出的数值接近1。而最近的几次液体微喷射实验(liquid microjet experiment)在正常水和重水中都得出了0.6的数值,和钱德勒的结果十分接近。

然而这个理论还是有一些漏洞。首先,为什么在大气条件下开展的实验会得出低得多的数值,这一点并不清楚。其次,根据相变路径抽样理论,蒸发的速度取决于液体表面一个大得超乎寻常的毛细波(capillary wave,又名表面张力波),这个毛细波会将氢键拉伸、弱化,使它们无法留住蒸发的水分子。在水里加盐会增加水的表面张力,抑制毛细波的振幅,从而理应减慢蒸发速度。但是实验结果却显示,水里加盐的做法没有多少效果。

4.液态水的表面是酸性还是碱性?

笼罩在尼亚加拉瀑布上的水雾有一个显著的特征:看一个个液滴的运动,仿佛它们都带了负电荷。这其实也是大多数瀑布的共同特征。长久以来,研究者都因此认为水滴表面积聚了带有负电的氢氧化物离子,也就是说,液滴表面是碱性的,其pH值大于中性水的7。实际上,这个观点已经成为了胶体科学家中的公论。

这世上到底能有几种冰?关于水的五个未知事实

淘气的水雾:在尼亚加拉瀑布周围,水雾中液滴的运动方式仿佛带了负电。 图片来源:mentoracollege.edu

液态水的表面分布着大量断裂的氢键,这使得它们有着与水团内部相当不同的化学环境。不过最新的实验和计算却显示,水合质子(H+)才是液态水表面主要的离子,因此水表面呈酸性(pH值小于7)、且带正电,而不是碱性带负电。

许多重要的化学和生物学过程,比如大气气溶胶的形成(其中包括气体交换、酶的催化、以及跨膜质子转运)都涉及水表面的质子交换,也取决于水表面pH值。然而这个值的大小,到现在还不为人知。

5.纳米约束水有什么不同?

水并不总是在浩瀚的海洋中汹涌。无论在自然还是人工环境下,水都常常会被约束在难以想象的狭小空间之内,像是反胶束、碳纳米管、质子交换膜和干凝胶(一种表面多孔的玻璃状固体)。

实验和计算都指出,如果水被固体围墙约束在一片微小的空间之中、而那个空间的大小只相当于几百个分子,这些水就会呈现出量子力学的效应,包括离域(delocalization)和量子相干性(quantum coherence)。这些性质迥异于大量水呈现出来的性质,并会对生物细胞到地质结构在内的许多事物造成影响。它在实践中也可能具有重大作用,比如用来设计效率更高的脱盐系统。

但是目前来看,这个领域的成果还是有些模糊,要确认水在约束状态下的性质,仍需要多做研究。(编辑:游识猷)


本文由 Nautilus 授权果壳网(guokr.com)编译发表,严禁转载。

拓展阅读

水什么答案也不知道

编译来源

Nautilus,Five Things We Still Don’t Know About Water

Translate »