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无处不在的“水”, 还有这几个未完全解答的谜

时间:2018-08-30

来源:新浪科技  作者:叶倾城  责编:浮生
 
北京时间8月30日消息,据国外媒体报道,关于水,我们还知道什么呢?它是湿的!它是透明的,它来自河流,高温条件下可以沸腾,还能制造冰……
无处不在的“水”, 还有这几个未完全解答的谜团

▲液态水(图左)是由氢(白色)和氧(红色)原子组成的,它们排列成一个近四面体结构。普通冰,或称冰Ih(图右),显示了一个密度较小的三维网络,从而解释了为什么冰漂浮在水面上。
 
日前,美国加利福尼亚州大学伯克利分校化学教授理查德·萨伊克利(Richard Saykally)对水的自然属性进行了深入研究,揭晓了鲜为人知的水秘密。
萨伊克利指出,我的母亲7年前去世,享年99岁,她与我最后的一次谈话中提到了水,她的谈话中映射出全球一半人口的共同观点——水是再平常不过的物质。然而,在伪科学和新时代大师的鼓动下,世界另一半居民似乎相信了顺势疗法药水、结构水、聚合水、水记忆等一些神奇的水特性。
从科学角度来讲,水的本质介乎两者之间,是的,水是非常普通常见的,事实上,它是宇宙中第三大最常见分子。但是与萨伊克利母亲的观点相反的是,水是平常物质——只是一种假象,至今仍有一些未完全解答的科学谜团:
 
1、有多少种类型的冰?
依据最新统计数据,有17种不同晶体形式的固态水。然而,地球上仅有一种水晶体形式——“冰Ih”,存在于实验室之外,另一种水晶体形式叫做“冰Ic”以极少量的形式存在于上层大气,其它的15种水晶体仅存在于非常高压的条件下(星际空间也有大量的水,但通常是无定型、非晶体、玻璃状的冰,它们冻结在尘埃颗粒上)。
 
由于相邻水分子之间形成了强氢键的四面体网络,从而形成了不同种类的晶体冰。在水的冷凝相中,每个分子通过近四面角度下形成四个氢键,从而优化氢键能力。冰Ih内部的氢键形成一个开放、低密度三维结构。
 
对包括晶体冰、碳元素、硅和磷在内的四面体物质施加压力,可能会使低密度固体形式坍缩成一些密度更高的结构,大约可达到致密极限等级。这就产生了我们迄今发现的17种晶体冰。
 
2、有两种液态水吗?
几十年前,日本科学家曾声称,观察到在高压条件下两个非晶质冰状态之间的过渡进程,由于我们认为非晶质冰本质上是对对应液体的冷冻快照,这一观察结果表明,两种类型液态水必然存在:正常低密度水;类似于高压非晶质冰的致密高密度水形式。
 
随后进行的模拟结果支持了这一观点,他们研究了温度低于冰点但高于“均相成核温度”的水,在这个被称为“深度过冷(deeply supercooled)”的区域,科学家发现了两种液态水形式之间过渡阶段的证据。
 
▲最新实验和计算似乎表明,水被固体壁限制在很小的空间,其大小相当于几百个分子,最初表现为量子力学效应,包括离域和量子相干性。这些性质与那些大体积水存在显著差异,可能影响从生物细胞至地质结构的任何事物。同时,这也可能具有很大的实际意义,例如设计更有效的脱盐系统等。
 
然而,其他科学家认为这些结果是人为制造,基于统计力学理论,这种转变不太可能发生。事实上,该结构的水形式距离水平衡非常远,很难进行观察和建模,远离水平衡的行为正是当前冷凝物质理论的前沿领域。
 
3、水蒸发过程是怎样的?
液态水蒸发速度是现代气候模型的主要不确定因素之一,它决定了云层中水滴大小分布,进而决定了云层如何反射、吸收和散射光线。但是水蒸发的确切机理仍不完全清楚,传统理论来讲,水蒸发速度代表分子之间碰撞速度,再乘以一个称为蒸发系数的容差系数,蒸发系数的数值在0-1之间。几十年以来,科学家对这一系数的实验测定在3个数量级上发生了变化。蒸发是一种极其罕见的现象,需要长时间的大型计算机模拟,这一实际情况阻碍了理论计算。
 
美国加利福尼亚州大学伯克利分校戴维·钱德勒(David Chandler)和同事利用一种能够描述该罕见事件的理论——“过渡路径抽样法(transition path sampling)”,计算水分蒸发系数,其结果接近于数值1。这与最新的液体微喷流实验相当接近,相比之下普通水和重水的测试数值都为0.6。
 
然而,这项计算方式也存在着不足之处,首先,目前仍不清楚为什么在更多大气相关条件下进行的实验会获得较低的数值结果。同时,过渡路径抽样法模拟表明,水蒸发依赖于异常大量的毛细波(capillary wave)沿着水面运行,这将显著拉紧和削弱附着在蒸发水分子上的氢键。如果在水中添加盐将提高表面张力,抑制毛细波幅度变化,从而降低了水蒸发率。但是实验表明,添加盐几乎没有影响水蒸发率。
 
4、液态水表面呈酸性还是碱性?
北美尼亚加拉大瀑布周围的薄雾有一点值得注意:每个水滴都在移动,就好像它们带有负电荷一样。大多数瀑布都是如此,长期以来,这被解释为液滴表面积累负氢氧根(OH-)离子的证据,这意味着液滴表面的pH值大于中性水pH值7。
 
液体水表面含有大量断裂氢键,它们所产生的化学环境与其它物质大不相同。但是最近实验和计算表明,水合质子(H+)实际上控制液态水表面,产生酸性(低于数值7)pH和带正电荷的液滴水表面,而不是带负电荷的液滴水表面。
 
化学和生物学中许多重要进程,例如:大气溶胶-气体交换、酶催化和跨膜质子运输,都涉及到水表面的质子交换,并且明确地依赖于液滴表面pH值,目前还不知道这个数值是多少。
 
5、纳米受限水存在差异吗?
水并不总是在浩瀚的海洋中流动,无论是在自然界还是在人造装置中,水经常被限制在难以想像的狭小空间里,例如:反胶束、碳纳米管、质子交换膜和凝胶(它们是高孔隙度玻璃状固体)。
 
最新实验和计算似乎表明,水被固体壁限制在很小的空间,其大小相当于几百个分子,最初表现为量子力学效应,包括离域和量子相干性。这些性质与那些大体积水存在显著差异,可能影响从生物细胞至地质结构的任何事物。同时,这也可能具有很大的实际意义,例如设计更有效的脱盐系统等。
 
然而,目前的结果仍然有些模糊不清,该领域还需要进行更多的工作,用于研究在空间受限下水的自然属性。



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