世界上有17种冰？关于水的五个未知事实
果壳
2015-07-15
（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。
一. 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。）
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。
二、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。
三. 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。
四．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。
五．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。