水還有什麼我們不知道的呢？水是溼的、透明的、是從雨裏來的，水可以燒開，可以積雪，還可以結冰！政府給你們稅金，就是爲了讓你們研究水？還有一半人則信了僞科學和新世紀“大師”的鼓吹，認爲水具有種種神奇的性質，比如水的順勢療法、結構水、聚合水、水的記憶等等。

真相位於這兩種觀點之間。是的，水的確普通，實際上，它在宇宙中最常見的分子中排名第三。水只是表面上簡單，實際卻很複雜。我下面就列舉幾個和水有關的科學謎題，而這樣的謎題還有許多。

1. 冰到底有幾種？

照最新的統計，固態水共有17種晶體形態。但是在實驗室外，只有一種是地球上普遍存在的，它稱爲“冰I h”。還有一種冰I c，只少量存在於大氣圈上層。此外的15種冰，只有在極高的壓力下才能產生。（恆星之間的太空裏同樣有許多水，但那往往是附着在塵粒上的非晶形、玻璃態的冰。）

冰晶之所以形態如此多樣，都是因爲相鄰的水分子用強大的氫鍵構成了一個四面體的網絡。當水處於凝聚態時，每一個水分子都會形成近乎四面體的四個氫鍵，從而最大限度地與其它水分子結合。冰Ih中的氫鍵構成了一個開放立體、且密度較低的結構。

大號冰：液態水（左）由氫原子（白色）和氧原子（紅色）組成，結構近乎四面體。普通的冰，即冰Ih（右）呈立體網絡形狀，分子之間比較疏鬆，這解釋了冰爲什麼會浮在水面上。圖片來源：Jackie Ferrentino

將壓力施加到冰晶、元素碳、硅和磷之類的四面體物質上，就能將密度較低的固體壓縮成一系列密度較高的結構，而且這個過程有可能推進到這些物質密度的極限。這造就了我們目前觀察到的冰晶的17種形態。未來還會發現更多嗎？

2. 液態水是不是有兩種？

幾十年前，日本科學家聲稱觀察到了在高壓下非晶態冰（amorphous ice）的兩個相的轉化。我們認爲，非晶態冰其實是相應的液態水的凍結“快照”，因此這個發現說明，必然存在着兩種液態水：一種是正常的低密度水，另一種是緊緻的高密度水，而後者對應的就是高壓力下的非晶態冰。

接下來的模擬也證實了這一猜測。研究者觀察了溫度在冰點以下、但是高於“均相成核溫度”（homogeneous nucleation temperature，在這個溫度以下液態水無法存在）的水。在這個所謂“深度超寒”的區域，科學家發現了兩種液態水之間相變的證據。

不過，也有科學家批評這個結果是僞造的，他們認爲這種相變不可能發生，因爲它違背了統計力學的原理。這類變化的發生都遠離均衡狀態，因此很難觀測和模擬。不過話說回來，遠離均衡狀態的行爲也正是眼下凝聚態理論的一個前沿課題。

3. 水是如何蒸發的？

液態水的蒸發速度是現代氣候模擬中的一大懸案。是它決定了水滴在雲朵中的粒徑分佈，而這又決定了雲朵會如何反射、吸收、並散射光線。

然而，我們對水分蒸發的確切機制卻並不完全理解。傳統的研究者一般用水分子間的碰撞速度來表示水的蒸發速度，此外再乘上一個叫做“蒸發係數”（evaporation coefficient）的修正因子，這個係數的值在0到1之間。幾十年來，人們一直在用實驗方法確定蒸發係數，但算出的數值差異極大，相差超過三個數量級。還有一件事使得理論計算難以進行：蒸發是一種極罕見的現象，需要長時間、大規模的計算機模擬。

加州大學伯克利分校的大衛·錢德勒（David Chandler）和同事使用了一個稱爲“過渡路徑抽樣”（transition path sampling）的理論來計算水的蒸發係數，這個理論是專門用來描述這類稀有事件的。他們得出的數值接近1。而最近的幾次液體微噴射實驗（liquid microjet experiment）在正常水和重水中都得出了0.6的數值，和錢德勒的結果十分接近。

然而這個理論還是有一些漏洞。首先，爲什麼在大氣條件下開展的實驗會得出低得多的數值，這一點並不清楚。其次，根據過渡路徑抽樣理論，蒸發的速度取決於液體表面一個大得超乎尋常的毛細波（capillary wave，又名錶面張力波），這個毛細波會將氫鍵拉伸、弱化，使它們無法留住蒸發的水分子。

在水裏加鹽會增加水的表面張力，抑制毛細波的振幅，從而理應減慢蒸發速度。但是實驗結果卻顯示，水裏加鹽的做法沒有多少效果。

4. 液態水的表面是酸性還是鹼性？

籠罩在尼亞加拉瀑布上的水霧有一個顯着的特徵：看一個個液滴的運動，彷彿它們都帶了負電荷。這其實也是大多數瀑布的共同特徵。長久以來，研究者都因此認爲水滴表面積聚了帶有負電的氫氧化物離子，也就是說，液滴表面是鹼性的，其pH值大於中性水的7。實際上，這個觀點已經成爲了膠體科學家中的公論。

淘氣的水霧：在尼亞加拉瀑布周圍，水霧中液滴的運動方式彷彿帶了負電。 圖片來源：mentoracollege.edu

液態水的表面分佈着大量斷裂的氫鍵，這使得它們有着與水團內部相當不同的化學環境。不過最新的實驗和計算卻顯示，水合質子（H+）纔是液態水錶面主要的離子，因此水錶面呈酸性（pH值小於7）、且帶正電，而不是鹼性帶負電。

許多重要的化學和生物學過程，比如大氣氣溶膠的形成（其中包括氣體交換、酶的催化、以及跨膜質子轉運）都涉及水錶面的質子交換，也取決於水錶面pH值。然而這個值的大小，到現在還不爲人知。

5. 納米約束水有什麼不同？

水並不總是在浩瀚的海洋中洶湧。無論在自然還是人工環境下，水都常常會被約束在難以想象的狹小空間之內，象是反膠束、碳納米管、質子交換膜和幹凝膠（一種表面多孔的玻璃狀固體）。

實驗和計算都指出，如果水被固體圍牆約束在一片微小的空間之中、而那個空間的大小隻相當於幾百個分子，這些水就會呈現出量子力學的效應，包括離域（delocalization）和量子相干性（quantum coherence）。這些性質迥異於大量水呈現出來的性質，並會對生物細胞到地質結構在內的許多事物造成影響。它在實踐中也可能具有重大作用，比如用來設計效率更高的脫鹽系統。

但是目前來看，這個領域的成果還是有些模糊，要確認水在約束狀態下的性質，仍需要多做研究。