水是自然界非常常見的物質(zhì)，看上去非常的普通，但在搞物理的人眼里卻蘊含著太多的謎題。為什么熱水可以比冷水更快的結(jié)冰？為什么4攝氏度水的密度*，為什么水結(jié)成冰能迅速從無序變成有序？

水的量子特性

在香山科學(xué)會議上，中科院院士楊國楨指出，水分子構(gòu)成簡單，常以不同類型的分子團存在，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，奇異，呈現(xiàn)出明顯的量子特性。從微觀層面研究水，將對生命科學(xué)、能源、材料、環(huán)境等領(lǐng)域意義重大。

比如在某些金屬表面，氫與氧的結(jié)合能會大大降低，有一定的概率，氫是處在自由狀態(tài)的，這意味著假如找到合適的催化劑，將助推能源工業(yè)跨過”水變氫“的能量鴻溝。

一般認(rèn)為水在很細的管子里會受阻，流動速度會變慢。但實驗顯示，水分子在幾納米直徑的管道里的實測流速比流體力學(xué)預(yù)測的速度高1-10萬倍。這對海水淡化有重大的意義。

對于占人體70%左右的水來說，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在生命體系中，離子和分子在生物酶的作用下表現(xiàn)出量子化的超快流體狀態(tài)，從而大大提高反應(yīng)效率、降低反應(yīng)門檻。比如天然橡膠在橡膠樹中只需要30攝氏度的反應(yīng)溫度就可合成，而人工合成的反應(yīng)溫度卻高達92攝氏度。

水分子團結(jié)構(gòu)

雪花基本都是呈六角對稱的形狀，但是卻很難找到兩片形狀相同的。日本的醫(yī)學(xué)博士江本勝團隊在冷凍室中以高速攝影的方式長時間拍攝和觀察水的結(jié)晶，發(fā)現(xiàn)水非常多的結(jié)晶狀態(tài)。由此寫了一本書《水知道答案》。

為什么南極的魚不會結(jié)冰呢？

大家知道南極的氣溫非常低，很多水會結(jié)成冰，但是這里的魚卻可以自由自在的生活，經(jīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，這些魚的血管里有一種叫抗凍蛋白的物質(zhì)，它可以抑制水變成冰。而與此相關(guān)的是，我們在冷凍人體或者器官實驗時，必須保證細胞內(nèi)的水不能結(jié)冰，水一旦結(jié)冰，可能變成小的冰渣，會刺破細胞膜，從而使器官失活。

熱水更容易結(jié)冰

我們來做一個實驗，把一瓶熱水和一瓶冷水同時放進冰箱，你會發(fā)現(xiàn)熱水比冷水更快結(jié)冰，這是一個非常奇怪的現(xiàn)象。根據(jù)我們的常識，大部分物質(zhì)從液體變成固體的時候，它的體積會減小，但水結(jié)成冰的時候，它的體積反而會變大，密度減小，水在4攝氏度時密度*。

水的七十多條反常特性

有人總結(jié)過，水大概有70多條反常特性。除了剛才講的熱縮冷脹，即密度的反常，還有很多如高比熱、高熔點、熱導(dǎo)、張力等特性。這些性質(zhì)都還處于研究之中，大家還不能完全了解它內(nèi)在的機制到底是什么。因此，《科學(xué)》在創(chuàng)刊125周年的時候，提出了本世紀(jì)具挑戰(zhàn)性的125個科學(xué)問題，其中一個問題就是“水的結(jié)構(gòu)是什么”，這說明水的結(jié)構(gòu)實際上是了解水的性質(zhì)**關(guān)鍵的一環(huán)。

在經(jīng)典的圖像中，簡單的水就是兩個氫和一個氧，即使給它加熱，加一些擾動，它還是這種構(gòu)型，但我們用更**的手段分析，發(fā)現(xiàn)氫原子在空間中有一定位置的漲落，也就是說它沒有確定的位置，而是一些概率上的分布。

氫原子的空間漲落現(xiàn)象對水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生非常大的影響，包括氫鍵相互作用，從而使水展現(xiàn)出一些非常反常的特性。舉一個例子來看，如果我們不考慮氫原子空間上的量子效應(yīng)，那么我們體內(nèi)很多的化學(xué)反應(yīng)可能根本就不會發(fā)生，或者說減慢1000倍以上。所以沒有水的量子效應(yīng)，我們?nèi)丝赡芫筒淮嬖冢械纳镆膊粫嬖凇?/p>

冰的邊界

冰是怎么長出來的呢？我們把冰層一層一層的減薄，**減到單層冰，它的結(jié)構(gòu)是什么樣子呢？科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，它是一個蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，跟我們所熟知的石墨烯蜂窩狀結(jié)構(gòu)一模一樣。我們知道了冰是怎么長出來的，就可以去制備一些特殊的材料，來抑制或者促進冰的形成。

在原子層次看清"鹽水"

把一勺鹽倒進水里，鹽很快就溶了，這是因為水分子會慢慢地把鈉和氯兩種離子拽走，同時水分子會包裹在被拽走的離子周圍，形成一種團簇結(jié)構(gòu)，這就是離子水和過程。

我們在微觀上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)離子周圍包裹特定數(shù)目的水分子的時候，這個離子水合物可以在表面非?？斓臄U散。離子必須要穿過離子通道才能被人體吸收，離子通道非常的窄，很反常的是，實際上離子能夠快速的通過離子通道。所以我們認(rèn)為離子在通過通道時候它周圍包裹了特定數(shù)目的水分子，水分子可以幫助離子**的通過離子通道。