这世上到底能有几种冰？关于水的五个未知事实

“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

“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。）

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。

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。

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。

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。