来自 美味 2021-09-25 13:14 的文章

你喝的每一口水都隐藏着这五个未解之谜

说到水,我们一点也不陌生。它在我们的日常生活中随处可见。然而,这样一个简单的分子一直站在科学关注的前沿。它不仅闪耀在量子领域,甚至在最基本的物理化学性质上也颠覆了我们原有的认知。
 
“水很无聊。”这是我已故的母亲说的话,似乎反映了大多数人的观点。普通的水,不是很简单吗?另一方面,在伪科学的煽动下,世界上其他人似乎相信顺势疗法和水记忆等“神奇功能”。
 
事实上,真相介于两者之间。是的,水很常见。它是宇宙中第三常见的分子。然而,与我母亲的意见相反,这也很复杂。接下来,我们将介绍一些至今尚未解决的与水有关的科学问题。
 
一个
 
有多少种冰?
 
根据最新统计,固体水有17种不同的晶型。然而,在实验室之外,地球上只有Ih冰无处不在。第二种形式的结晶冰是Ic型,在高层大气中少量存在,而其他15种形式的冰只在非常高的压力下出现。(星际空间中也有很多冰,但它们通常以无定形状态冻结在尘埃粒子上。)
 
如此众多的结晶冰形式起源于水分子之间的四面体网络,由相邻水分子之间的强氢键组成。在水的凝聚相中,每个水分子都尽可能优化其形成氢键的能力,以便在四面体附近的键角方向形成四个氢键。Ih冰中的氢键形成了一个开放的低密度三维结构。
 
 
对四面体物质施加压力,包括冰晶、单质碳、硅和磷,可以瓦解低密度固体形态,从而形成一系列密度依次递增的结构,直到形成极致密的结构才会继续瓦解。到目前为止,我们已经观察到了17种形式的结晶冰。未来会有更多的发现吗?
 
2
 
液态水有两种吗?
 
几十年前,日本科学家声称他们观察到了高压下无定形冰的两相转变。由于无定形冰本质上是相应液体的冻结快照,具有两相意味着必须有两种类型的液态水:常规的低密度水和类似于高压无定形冰的高密度水。
 
随后的模拟也支持这一推论。他们研究了当温度低于冰点但高于“均相成核温度”(低于该温度液态水不存在)时,水可能发生的转变。因此,在这个所谓的“深过冷”区域,他们发现了两种液态水之间相变的证据。
 
然而,一些科学家认为这些结果是人为造成的。而且根据统计力学的原理,这种转化是不太可能发生的。它们远离平衡发生,难以观察和模拟。事实上,远离平衡的行为是目前凝聚态理论的一个前沿领域。
 
 
水是如何蒸发的?
 
液态水的蒸发速率是现代气候模型的主要不确定性之一。它决定了云中水滴的大小分布,进而决定了云如何反射、吸收和散射光线。
 
然而,水分蒸发的确切机理还没有完全弄清楚。蒸发率通常表示为分子之间的碰撞率乘以一个修正系数,也称为蒸发系数,在0到1之间变化。在几十年内,这个系数的实验测量值的变化范围甚至超过三个数量级。但是这个系数的理论计算遇到了障碍,这个过程需要巨大的计算量和较长的模拟时间。
 
加州大学伯克利分校的大卫·钱德勒和他的同事们使用了一种可以描述这种现象的理论,即过渡路径采样,并计算了水的蒸发系数。他们得出了一个接近1的值。这与最近的液体微射流实验结果相当,其中普通水和重水的蒸发系数都是0.6。
 
然而,仍然存在几个问题。首先,为什么在相当于大气压的条件下,实验得到的数值要低得多,目前还不清楚。此外,过渡路径采样模拟理论表明,蒸发的本质在于异常大的毛细波,它沿着垂直于液面的方向移动,它拉长了与待蒸发水分子相连的氢键,从而削弱了这些氢键的强度,使水分子相互摆脱而蒸发。向水中加盐会增加表面张力,从而抑制毛细波的振幅,这应该会降低蒸发速率。实验结果表明,盐的加入对蒸发速率影响不大。
 
 
水的表面是酸性还是碱性?
 
尼亚加拉瀑布周围的雾不寻常之处在于,单个水滴像可移动的负电荷一样流动。大多数瀑布也是如此。长期以来,这一现象被用来证明带负电荷的氢氧离子(OH-)聚集在液滴表面,这意味着液滴表面呈碱性,pH值大于7。事实上,在胶体科学领域,这种想法已经成为默认的“事实”。
 
液态水表面含有大量断裂的氢键,因此表面的化学环境与本体相完全不同(没有断裂的化学键)。最近的一些实验和计算研究指出,液态水的表面可能由氢离子(H+)主导,而不是胶体科学通常认为的氢氧阴离子,从而产生酸性(pH小于7)的带正电表面。
 
化学和生物学中的许多重要过程,如大气中气溶胶-气体交换、酶催化和跨膜质子转运等,都涉及到水面质子交换,并直接依赖于水面的pH值,但目前还是一个未知数。
 
 
纳米水有什么区别?
 
水并不总是在海洋中流动。无论是在自然界还是在人造设备中,水通常被限制在难以想象的微小空间中,例如反胶束、碳纳米管、质子交换膜和干凝胶(一种多孔玻璃状固体)。
 
在一个只有几百个分子大小的微小空间中,被固体“墙”所限制的水分子开始表现出量子力学效应,包括离散性和量子相干性,这与大块水分子的性质完全不同。这些独特的量子力学性质影响深远,从生物细胞到地质结构都可能受到影响。这一现象也可能具有相当大的实际应用价值,例如,可以用来设计效率更高的脱盐系统(去除水中的阴离子和阳离子)。
 
然而,目前的结果仍然有些模糊,科学家需要做更多的工作来确定有限条件下水分子的性质。