新浪科技综合@这种物质虽然司空见惯，但我敢说真的没人了解它新浪科技综合2020-07-28 15:20:000阅
来源：格致论道讲坛
水是大家司空见惯的一种物质 ， 但是对科学家而言 ， 水可以说是自然界最复杂的物质之一 。 到目前为止 ， 仍然需要更多的科学研究去探索水的性质 ， 所以水对于我们来说是一个非常陌生的世界 。
奇怪的水
水可以说无处不在 ， 在地上、地下 ， 甚至在外太空、外星球都能找到水的踪迹 。 但实际上水非常奇怪 ， 为什么这么说呢？
第一个例子我想带大家去南极看一看 。
南极的气温非常低 ， 很多水会结成冰 。 但是 ， 在如此冷的地方仍然有很多鱼在自由地生存着 。
为什么在这么低的温度下鱼不会结冰呢？
经过科学研究发现 ， 在这些鱼的血管里有一种叫抗冻蛋白的物质 ， 它可以抑制水变成冰 。
这是自然界中一个非常有意思的现象 ， 但一直不为大家所知 。
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图1/38实际上 ， 水还有很多其它的非常奇怪的性质 。
比如说 ， 大部分物质从液体变成固体的时候 ， 它的体积会减小 。 但是水结成冰的时候 ， 它的体积反而会变大 ， 密度会减小 ， 而且水在4℃的时候密度最大 。
这个现象跟大家的常识是相反的 。
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图2/38另外 ， 如果我们来做一个实验 ， 把一瓶热水和一瓶冷水同时放进冰箱 ， 你会发现热水比冷水更快结冰 。
这也是非常奇怪的现象 。
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图3/38此外 ， 还有关于冷冻人、冷冻器官、器官冷藏的研究 ， 实际上跟刚才我们谈到的鱼为什么不结冰是类似的现象 。
其中很重要的一个课题是 ， 冷冻人体时必须要保证体内的水不能结冰 。 水一旦结冰 ， 有可能变成小的冰碴 ， 会刺破细胞膜 ， 从而使器官失活 。
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图4/38简单地从水结冰这样一个现象来看 ， 事实上有很多物理和化学过程不为大家所知 ， 也需要用更深入的科学手段去探讨这些问题 。
有人总结过 ， 水大概有70多条反常特性 。
除了刚才讲的热缩冷胀 ， 即密度的反常 ， 还有很多如高比热、高熔点、热导、张力等特性 。
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图5/38这些性质都还处于研究之中 ， 大家还不能完全了解它内在的机制到底是什么 。
因此 ， 《科学》在创刊125周年的时候 ， 提出了本世纪最具挑战性的125个科学问题 ， 其中一个问题就是“水的结构是什么” ， 这说明水的结构实际上是了解水的性质最关键的一环 。
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图6/38如果我们能从微观上了解清楚水的结构的话 ， 我们就能更好地了解水的很多特性 ， 解开水的世纪难题 。
水的量子效应
大家都知道 ， 水是由水分子构成的 ， 那么水分子长什么样呢？
就像这个图里面画的一样 。
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图7/38其实水分子很简单 ， 就是两个氢加上一个氧 ， 形成了一个简单的三原子的分子 。 这是我们都熟知的化学组成 。
但是 ， 四年前我们在《科学》杂志上发表的一篇文章中提到 ， 水的结构其实并不是这么简单 ， 水具有一些量子效应 。
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图8/38什么是量子效应呢？
在经典的图像中 ， 简单的水就是两个氢和一个氧 ， 即使给它加热、加一些扰动 ， 它还是这种构型 。
但是 ， 如果用更精确的手段分析 ， 我们会发现氢原子在空间中有一定的位置涨落 ， 也就是说它没有确定的位置 ， 而是有一些概率上的分布 。
氢原子的空间涨落现象会对水的结构和性质产生非常大的影响 ， 包括氢键相互作用 ， 从而使水展现出一些非常反常的特性 。
举一个例子来看 ， 如果我们不考虑氢原子在空间上的量子效应 ， 那么我们体内的很多化学反应可能根本就不会发生 ， 或者说至少会减慢1000倍以上 。
所以 ， 如果没有水的量子效应 ， 我们人可能就不存在 ， 所有的生物也会不存在 。
在我们这个工作出来之后 ， 有很多商家推出了一些“量子水” ， 据说是对我们健康有益的一种水 。
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图9/38但是我要说的是 ， 此量子可能非彼量子 ， 大家手里拿的每一瓶水可以说都是量子水 ， 因为量子效应是水本身的一种属性 ， 所以这是一个概念炒作现象 。
单个水都这么复杂了 ， 那么水和水放在一块儿 ， 它的结构是不是更加复杂呢？
水和水之间存在着一种相互作用 ， 这种相互作用叫氢键 。
什么是氢键？
水里面的氧带负电、氢带正电 ， 把水分子放在一块的时候 ， 带正电的氢和带负电的氧会产生相互吸引作用 ， 这个相互吸引作用就是氢键 。
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