你喝下的每一口水,都藏著這5個未解之謎

2021年09月25日10:20

  說起水,我們一點都不陌生,它在日常生活中隨處可見。而就是這樣一個簡單的分子,卻一直站在科學界關注的前沿。它不僅在量子領域大放光彩,即使在最基本的物理化學性質上,也一直顛覆著我們原有的認知。

  撰文 | Richard Saykally(加州大學伯克利分校化學教授)

  翻譯 | 趙冰瑩

  審校 | 王怡博

  “水很無聊。”這是我已故母親的話,它似乎反映了多數人的觀點。常見的水,不是很簡單嗎?而另一方面,在偽科學的煽動下,世界上的另一些人似乎對順勢療法、水記憶等“神奇特性”深信不疑。

  事實上,真相介於兩者之間。沒錯,水非常常見,它是宇宙中第三常見的分子。但是,與我母親的觀點相反,它也是複雜的。接下來要介紹的就是與水有關、至今仍未解決的幾個科學問題。

  1

  究竟有多少種冰?

  據最新統計,固態水有17種不同的晶體形式。然而,在實驗室之外,只有Ih型冰這一種形式普遍存在於地球上。第二種形式的結晶冰是Ic型,它在高層大氣中少量存在,而另外15種形式的冰只在非常高的壓力下才會出現。(在星際空間也有大量的冰,但它們通常以無定形的非晶態凍結在塵粒上。)

  如此繁多的結晶冰形態源於水分子間的四面體網絡,它是由相鄰水分子之間較強的氫鍵構成的。在水的凝聚相中,每個水分子都儘可能優化其形成氫鍵的能力,就是為了在近四面體的鍵角方向形成四個氫鍵。Ih型冰內部的氫鍵形成的是一個開放的、低密度的三維結構。

  對包括結晶冰、單質碳、矽和磷在內的四面體物質施加壓力,可以使低密度的固體形態坍縮,從而形成一系列密度依次升高的結構,大概直到形成極致的密堆積結構就不再繼續坍塌。這就形成了我們目前所觀察到的17種形式的結晶冰。未來,還會有更多的發現嗎?

  2

  有兩種液態水嗎?

  幾十年前,日本科學家聲稱,他們在高壓下觀察到了無定形冰的兩相轉換。由於無定形冰本質上是相應液體的靜態快照(frozen snapshot),無定形冰具有兩相就意味著必然存在兩種類型的液態水:常規的、低密度的水,以及類似於高壓無定形冰的高密度水。

  隨後的模擬也支援了這一推斷。他們研究了當溫度低於冰點,但高於 “均相成核溫度”(低於此溫度液態水就不存在)時,水有可能發生的轉變。結果,在這個所謂的 “深度過冷”區,他們找到了兩種液態水之間發生相變的證據。

  然而,也有科學家認為,這些結果是人為導致的。而且根據統計力學的原理,這種轉變不太可能發生。它們發生在遠離平衡態的地方,難以被觀察和模擬。事實上,遠離平衡狀態的行為目前是凝聚態理論的一個前沿領域。

  3

  水是如何蒸發的?

  液態水的蒸發速率是現代氣候模型中主要的不確定因素之一。它決定了雲中水滴的大小分佈,而水滴的大小反過來決定了雲是如何反射、吸收和散射光線的。

  但是,水蒸發的確切機制還沒有被完全理解。蒸發速率通常表示為:分子間的碰撞速率乘以一個修正因子,這個因子也被稱為蒸發係數,在0和1之間變化。在幾十年的時間內,這個係數的實驗測定值的變化幅度甚至超過3個數量級。而對這個係數的理論計算也遇到了阻礙,這個過程需要龐大的計算量和很長的模擬時間。

  加州大學伯克利分校的David Chandler和同事利用了一種能夠描述這種現象的理論,即過渡路逕取樣(transition path sampling),計算了水的蒸發係數。他們得出了一個接近1的數值。這與最近的液體微噴(liquid microjet)實驗結果相當,在該實驗中普通水和重水的蒸發係數均為0.6。

  然而,還是有幾個問題存在。首先,目前仍然不清楚為什麼在與大氣壓相當的條件下進行的實驗得到的數值要低得多。另外,過渡路逕取樣模擬理論表明,蒸發的本質在於一種異常大的毛細波,會沿著垂直於液體表面的方向移動,它拉長了與要蒸發的水分子相連的氫鍵,從而削弱了這些氫鍵的力量,使水分子能夠擺脫彼此間的束縛、蒸發出去。在水中加入鹽會提高表面張力,從而抑製毛細波的振幅,這理應會降低蒸發速率。但實驗結果表明,加入鹽對蒸發速率幾乎沒有影響。

  4

  水的表面是酸性還是堿性?

  有關尼亞加拉大瀑布周圍的霧氣不同尋常的一點在於:單個水滴的流動就像可移動的負電荷一樣。大多數瀑布也是如此。長期以來,這種現象被用來證明,液滴表面聚集的是帶負電的氫氧根離子(OH-),這意味著液滴表面是呈堿性的,pH值大於7。事實上,在膠體科學領域,這種想法已經成為了一種預設的“事實”。

  液態水的表面含有大量斷裂的氫鍵,因此表面的化學環境完全不同於體相(沒有斷裂的化學鍵)。最近的一些實驗和計算研究指出,液態水的表面有可能是由氫離子(H+)主導的,而不是膠體科學通常認為的氫氧根負離子,這樣就產生了酸性的 (pH值小於7)帶正電表面。

  化學和生物學中的許多重要過程,如大氣中的氣溶膠-氣體交換、酶催化和跨膜質子運輸,都涉及到水錶面的質子交換,而且直接取決於水錶面的pH值,但它目前仍然是一個未知的量。

  5

  納米水有什麼不同?

  水並不總是流動在海洋里。無論是在自然界還是在人造設備中,水經常被限制在難以想像的微小空間內,比如反膠束、碳納米管、質子交換膜和干凝膠(一種多孔的玻璃狀固體)。

  在只有幾百個分子大小的微小空間內,被固體“牆壁”限制的水分子開始呈現出量子力學效應,包括離散性和量子相乾性,與體相水分子的性質完全不同。這些獨特的量子力學性質影響深遠,從生物細胞到地質結構,都有可能受到影響。這種現象也可能具有相當大的實際應用價值意義,例如用於設計效率更高的脫鹽(去除水中的陰陽離子)系統。

  然而,目前的結果仍然有些模棱兩可,科學家還需要做更多的工作才能確定限域條件下水分子的本質。

  原文鏈接:

  https://nautil.us/issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water

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