关于水，我们还不知道的五件事

W我们能做什么不了解水吗?它是湿的!很明显。它来自于雨。它沸腾。它能造雪，也能造冰!我们的政府真的用纳税人的钱让你学习吗水?”

这段话摘录自我与已故母亲的最后几次谈话之一。她在大约7年前去世了，享年99岁，仍然非常节俭。她的话反映了世界上一半人口似乎都持有的一种观点:水是乏味的。

然而，在伪科学和新时代大师的鼓动下，世界的另一半人似乎相信顺势疗法、结构水、polywater和水记忆等神奇的特性。

真相在中间的某个地方。是的，水是很常见的事实上，它是宇宙中第三常见的分子。但是，与母亲的观点相反，这也是一个看似复杂的问题。以下是一些与水有关的科学问题，这些问题至今仍未解决：

1.有多少种冰？

据最新统计，固态水有17种不同的结晶形式。然而，只有一种形式——冰I_H-通常存在于实验室外的地球上。第二种晶体形式称为冰I_C在高层大气中以极少量的形式存在，另外15种形式仅在非常高的压力下出现。（星际空间中也有大量的水，但它通常是一种冻结在尘埃颗粒上的无定形、非结晶、玻璃状冰。）

结晶冰形态的显著变化是由于相邻水分子之间形成的四面体强氢键网络造成的。在水的凝聚相中，每个分子通过在近四面体角度形成四个氢键来优化其氢键能力。冰I中的氢键_H形成低密度的开放式三维结构。

对四面体物质（包括结晶冰、元素碳、硅和磷）施加压力，可能会将低密度固体形式坍塌成各种密度依次更高的结构，大概直到达到紧密堆积极限为止。这产生了我们迄今为止观察到的17种形式的结晶冰。还有更多的发现吗？

2.有二液体水的种类？

几十年前，日本科学家声称在高压下观察到了无定形冰的两个阶段之间的转变。由于我们认为无定形冰本质上是相应液体的冻结快照，这一观察表明，必须存在两种类型的液态水:正常的低密度水，和类似高压无定形冰的致密高密度形式。

随后的模拟证实了这一说法。他们研究了温度低于冰点但高于“均质成核温度”（低于此温度液态水不可能存在）的水。在这个所谓的“深度过冷”区域，科学家们看到了两种液态水之间发生相变的证据。

然而，其他科学家认为，这些结果是人为的，根据统计力学原理，这种转变不太可能发生。事实上，它们发生在远离平衡的地方，这使得它们难以观察和建模。事实上，远离平衡的行为是凝聚态理论的一个前沿。

3.水是如何蒸发的？

液态水的蒸发速率是现代气候模拟中的主要不确定性之一。它决定了云中水滴的大小分布，进而决定了云层如何反射、吸收和散射光线。

但水如何蒸发的确切机制还不完全清楚。蒸发率传统上用分子间的碰撞率乘以称为蒸发系数的软糖因子表示，蒸发系数在0到1之间变化。这个系数的实验测定跨越了几十年，变化了三个数量级。蒸发是一种极为罕见的事件，需要长时间的大型计算机模拟，这一事实阻碍了理论计算。

尼亚加拉大瀑布周围的雾有一件值得注意的事情:单个水滴的移动就好像它们带着负电荷一样。

伯克利与加利福尼亚大学的同事David Chandler一起使用了一种能够描述这种稀有事件的理论，称为“过渡路径采样”，以计算水蒸发系数。他们得出的值接近1。这与最近的液体微射流实验相当吻合，该实验对正常水和重水产生的值均为0.6。

然而，也有一些皱纹。一方面，目前还不清楚为什么在与大气相关的条件下进行的实验产生的数值要低得多。此外，过渡路径取样模拟表明，蒸发依赖于沿着液体表面运行的异常大的毛细管波，这会拉紧并削弱附着在蒸发水分子上的氢键。向水中添加盐会提高表面张力并抑制毛细波幅，因此应降低蒸发速率。但实验研究表明，当添加盐时，效果很小或没有效果。

4.液态水的表面是酸性的还是碱性的？

液态水的表面含有大量断裂的氢键，这些氢键产生的化学环境与散装水不同。但最近的实验和计算表明，水合质子（H+）实际上支配着液态水的表面，产生酸性（小于7）pH值和带正电的表面，而不是带负电的碱性表面。

化学和生物学中的许多重要过程，如大气气溶胶——气体交换、酶催化和跨膜质子传输，都涉及到水表面的质子交换，并明确取决于水表面的pH值——目前还不知道这个数值。

5.纳米承压水有何不同?

水并不总是在巨大的海洋中晃动。无论是在自然界还是在人造设备中，水通常被限制在难以想象的微小空间，如反胶团、碳纳米管、质子交换膜和干凝胶（高度多孔的玻璃状固体）。

实验和计算似乎都表明，被固体壁限制在微小空间区域的水，其大小相当于几百个分子，开始表现出量子力学效应，包括离域和量子相干。这些特性与散装水明显不同，可以影响从生物细胞到地质结构的一切。它也可能具有相当大的实际意义，例如设计更有效的脱盐系统。

然而，目前的结果仍然有点模糊不清，在这方面还有更多的工作要做，以便确定封闭水的性质。

Richard Saykally是加州大学伯克利分校的化学教授。发表论文400余篇，被引用3万余次。