說起水，我們一點(diǎn)都不陌生，它在日常生活中隨處可見，而就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的分子，卻一直站在科學(xué)界關(guān)注的前沿，它不僅在量子領(lǐng)域大放光彩，即使在最基本的物理化學(xué)性質(zhì)上，也一直顛覆著我們?cè)械恼J(rèn)知。
“水很無聊”這是我母親的話，它似乎反映了多數(shù)人的觀點(diǎn)，常見的水，不是很簡(jiǎn)單嗎？
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(diǎn)相反，它也是復(fù)雜的，接下來要介紹的就是與水有關(guān)、至今仍未解決的幾個(gè)科學(xué)問題。
1.究竟有多少種冰？
據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，固態(tài)水有17種不同的晶體形式，然而，在實(shí)驗(yàn)室之外，只有Ih型冰這一種形式普遍存在于地球上。第二種形式的結(jié)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(huì)出現(xiàn)。(在星際空間也有大量的冰，但它們通常以無定形的非晶態(tài)凍結(jié)在塵粒上。）
如此繁多的結(jié)晶冰形態(tài)源于水分子間的四面體網(wǎng)絡(luò)，它是由相鄰水分子之間較強(qiáng)的氫鍵構(gòu)成的，在水的凝聚相中，每個(gè)水分子都盡可能優(yōu)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(gè)氫鍵，Ih型冰內(nèi)部的氫鍵形成的是一個(gè)開放的、低密度的三維結(jié)構(gòu)。
冰：液態(tài)水（左）由氫原子（白色）和氧原子（紅色）組成，以近乎四面體的結(jié)構(gòu)排列。普通的冰（即Ih型冰，右圖）的結(jié)構(gòu)是密度較小的三維網(wǎng)絡(luò)，這是冰會(huì)浮在水面上的原因。（圖片來源：Wikimedia）
對(duì)包括結(jié)晶冰、單質(zhì)碳、硅和磷在內(nèi)的四面體物質(zhì)施加壓力，可以使低密度的固體形態(tài)坍縮，從而形成一系列密度依次升高的結(jié)構(gòu)，大概直到形成極致的密堆積結(jié)構(gòu)就不再繼續(xù)坍塌，這就形成了我們目前所觀察到的17種形式的結(jié)晶冰。未來，還會(huì)有更多的發(fā)現(xiàn)嗎？
2.有兩種液態(tài)水嗎？
幾十年前，日本科學(xué)家聲稱，他們?cè)诟邏合掠^察到了無定形冰的兩相轉(zhuǎn)換。由于無定形冰本質(zhì)上是相應(yīng)液體的靜態(tài)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(tài)水：常規(guī)的、低密度的水，以及類似于高壓無定形冰的高密度水。
隨后的模擬也支持了這一推斷，他們研究了當(dāng)溫度低于冰點(diǎn)，但高于 “均相成核溫度”（低于此溫度液態(tài)水就不存在）時(shí)，水有可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變，結(jié)果，在這個(gè)所謂的 “深度過冷”區(qū)，他們找到了兩種液態(tài)水之間發(fā)生相變的證據(jù)。
然而，也有科學(xué)家認(rèn)為，這些結(jié)果是人為導(dǎo)致的。而且根據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的原理，這種轉(zhuǎn)變不太可能發(fā)生，它們發(fā)生在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的地方，難以被觀察和模擬，事實(shí)上，遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的行為目前是凝聚態(tài)理論的一個(gè)前沿領(lǐng)域。
3.水是如何蒸發(fā)的？
液態(tài)水的蒸發(fā)速率是現(xiàn)代氣候模型中主要的不確定因素之一，它決定了云中水滴的大小分布，而水滴的大小反過來決定了云是如何反射、吸收和散射光線的。
但是，水蒸發(fā)的確切機(jī)制還沒有被完全理解，蒸發(fā)速率通常表示為：分子間的碰撞速率乘以一個(gè)修正因子，這個(gè)因子也被稱為蒸發(fā)系數(shù)，在0和1之間變化。在幾十年的時(shí)間內(nèi)，這個(gè)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的變化幅度甚至超過3個(gè)數(shù)量級(jí)，而對(duì)這個(gè)系數(shù)的理論計(jì)算也遇到了阻礙，這個(gè)過程需要龐大的計(jì)算量和很長(zhǎng)的模擬時(shí)間。
加州大學(xué)伯克利分校的David Chandler和同事利用了一種能夠描述這種現(xiàn)象的理論，即過渡路徑取樣（transition path sampling），計(jì)算了水的蒸發(fā)系數(shù)，他們得出了一個(gè)接近1的數(shù)值，這與最近的液體微噴（liquid microjet）實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)，在該實(shí)驗(yàn)中普通水和重水的蒸發(fā)系數(shù)均為0.6。
然而，還是有幾個(gè)問題存在，首先，目前仍然不清楚為什么在與大氣壓相當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)值要低得多；另外，過渡路徑取樣模擬理論表明，蒸發(fā)的本質(zhì)在于一種異常大的毛細(xì)波，會(huì)沿著垂直于液體表面的方向移動(dòng)，它拉長(zhǎng)了與要蒸發(fā)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(fā)出去。在水中加入鹽會(huì)提高表面張力，從而抑制毛細(xì)波的振幅，這理應(yīng)會(huì)降低蒸發(fā)速率，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入鹽對(duì)蒸發(fā)速率幾乎沒有影響。
4.水的表面是酸性還是堿性？
有關(guān)尼亞加拉大瀑布周圍的霧氣不同尋常的一點(diǎn)在于：?jiǎn)蝹€(gè)水滴的流動(dòng)就像可移動(dòng)的負(fù)電荷一樣，大多數(shù)瀑布也是如此。長(zhǎng)期以來，這種現(xiàn)象被用來證明，液滴表面聚集的是帶負(fù)電的氫氧根離子(OH-)，這意味著液滴表面是呈堿性的，pH值大于7，事實(shí)上，在膠體科學(xué)領(lǐng)域，這種想法已經(jīng)成為了一種默認(rèn)的“事實(shí)”。
液態(tài)水的表面含有大量斷裂的氫鍵，因此表面的化學(xué)環(huán)境完全不同于體相（沒有斷裂的化學(xué)鍵）。最近的一些實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究指出，液態(tài)水的表面有可能是由氫離子(H+)主導(dǎo)的，而不是膠體科學(xué)通常認(rèn)為的氫氧根負(fù)離子，這樣就產(chǎn)生了酸性的 (pH值小于7)帶正電表面。
化學(xué)和生物學(xué)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(zhì)子運(yùn)輸，都涉及到水表面的質(zhì)子交換，而且直接取決于水表面的pH值，但它目前仍然是一個(gè)未知的量。
5.納米水有什么不同？
水并不總是流動(dòng)在海洋里，無論是在自然界還是在人造設(shè)備中，水經(jīng)常被限制在難以想象的微小空間內(nèi)，比如反膠束、碳納米管、質(zhì)子交換膜和干凝膠(一種多孔的玻璃狀固體)。
在只有幾百個(gè)分子大小的微小空間內(nèi)，被固體“墻壁”限制的水分子開始呈現(xiàn)出量子力學(xué)效應(yīng)，包括離散性和量子相干性，與體相水分子的性質(zhì)完全不同。這些獨(dú)特的量子力學(xué)性質(zhì)影響深遠(yuǎn)，從生物細(xì)胞到地質(zhì)結(jié)構(gòu)，都有可能受到影響，這種現(xiàn)象也可能具有相當(dāng)大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值意義，例如用于設(shè)計(jì)效率更高的脫鹽（去除水中的陰陽離子）系統(tǒng)。
然而，目前的結(jié)果仍然有些模棱兩可，科學(xué)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(zhì)。