水到底有多神奇？科學家揭開神秘面紗，沒有這一特性生命不復存在

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水，是一種極其普通的物質，也是大自然最神奇的傑作。水滋潤了萬物，哺育了生命，成為我們生活中不可或缺的存在，以至於我們早已司空見慣，對其習以為常。但事實上與其它液體相比，水是一種極其奇特的液體，人類對水的了解更是少之又少。最近，科學家對水的微觀結構進行了研究，揭開有關水的神秘面紗…

水最怪異之處在於其不尋常的密度。我們都知道這一常識：通常情況下，隨著液體水溫度降低，水分子的排列會變得越來越密集，在溫度約4℃時密度達到最大值，即1.0g/(cm^3)。當溫度繼續降低至4℃以下時，由於形成分子間氫鍵，液態水的密度較小，所以當水在0℃發生相變（液態-固態）時，冰比水的密度小。這就是為什麼冰會漂浮在水的上面，冬季水體自上而下凍結的原因。

此外，水還具有相當高的表面張力。除汞之外，水的表面張力是所有液體中最高的。正因如此我們可以經常看到水珠滾落的景象，許多化學物質可以在水中溶解，而且水的沸點也非常高。為了研究水的這些奇異特性，科學家們需要深入到分子水平了解水的與眾不同之處。

在室溫和0℃以下，水分子一般呈現四面體排列，每個水分子都像搭建金字塔一樣與其它四個分子相連。布里斯托爾大學和東京大學的研究人員使用超級計算機和計算機模型模擬改變水分子的金字塔樣從而進一步研究水的性質。通過一系列調整，可以使水的性質發生反轉，例如，將冰的密度調整至大於液態水的數值，使其沉到水底。

研究小組表示：「通過這一構建，我們發現水的異常特性源於水分子特殊的四面體排列。四個水分子形成的四面體在中心共享一個水分子而不發生重疊，這樣高度有序的分子排列與其他無序排列的液體分子混合在一起，賦予了水的特異性質。」

正是水這樣的性質，使我們的生活豐富多彩。水不易被壓縮，這意味著它可以被推動，例如流經攜帶血細胞的血管；又因為它是一種很好的溶劑，我們體內的水可以溶解我們需要的營養物質；低密度的冰水也能保護生命，如果湖泊從底部凍結，水中的生命將會消失；正是由於水結冰時體積發生膨脹，當水滲入岩石、凍結、膨脹並將岩石從內部分開，反過來幫助塑造多姿多彩的地球，宇宙就是這樣神奇…

文/朱張航宇

參考文獻：Water-like anomalies as a function of tetrahedrality, PNAS, 2018, doi:10.1073/pnas.1722339115.

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