水很湿，水是透明的，水来自雨，水会沸腾，也可以凝结成冰和雪。政府真的在花着纳税人的钱让你研究水么？我的老母亲听到我在研究水的时候发出了上述疑问。她的话反映了世界上大约一半的人所持有的观点：水很无聊；而另一半的人，受伪科学和“养生”大师煽动，对顺势疗法、“结构水”、“聚合水”和“水记忆”之类的奇异特性津津乐道。

而这两种观点都不是真相：是的，水是平凡的——事实上，它是宇宙中第三普遍的分子。但是，与母亲的观点相反，它也复杂得令人困惑。关于水，尚未解决的科学难题还有很多，这里只简单列出五个：

1. 一共有多少种冰？

根据最新统计，固态水存在17种不同的晶型。然而，只有一种晶型在地球上实验室以外的地方普遍存在，即冰Ih。称为冰Ic的第二种晶型在上层大气中存在少许，而其他15种晶型仅存在于非常高的压力下。（在星际空间也有很多水，但通常是无定形、非结晶、玻璃状的冰，凝结在尘埃颗粒上。）

水之所以具有众多晶型，原因在于相邻水分子之间较强的氢键构成的四面体网格。在水的凝聚相中，每个分子都与周围的分子充分结合，以接近四面体的角度形成四个氢键。冰Ih中的氢键形成了一种低密度的开放三维结构。

液态水（左侧）由按接近四面体结构排列的氢原子（白色）和氧原子（红色）组成；普通的冰，或者冰Ih（右侧）三维网格密度较低，这就是冰会浮在水上的原因。图片来源：Wikimedia

对晶体冰、单质碳、单质硅和单质磷等四面体结构的物质施加压力，可以将低密度的固体结构压缩成各种有序的高密度物质，直到密堆积极限为止，迄今我们观察到的冰的17种晶型就是这样产生的。或许在将来，我们还会发现更多的晶型。

2. 液态水有两种吗？

几十年前，日本科学家声称在高压下观察到了两种无定形的冰之间的相变。鉴于我们一般认为所谓“无定形冰”其实就是液态水的结冰形式，这个发现表明一定存在两种类型的液态水：常态下低密度的水，以及类似于高压下的无定形冰的压缩、高密度的水。

后续的模拟计算支持了这个观点。他们研究了温度低于冰点但高于“同质成核温度”（低于该温度液态水无法存在）的水，在这个“深度冷却”的温度范围内，科学家们看到了水的两种液态形式之间的相变存在的证据。

然而，其他科学家反驳说这些结果是人为的，并且，基于统计力学的原则，这样的相变不大可能发生。它们的发生偏离平衡态太远，这使得观察和模拟它们都很困难——事实上，物质在远离平衡态的行为是当前凝聚态物质理论的前沿领域。

3. 水是怎样蒸发的？

液态水的蒸发率是现代气候模拟中的主要不确定因素之一。它决定了云层中微液滴的粒径分布，反过来，这又决定了云层如何反射、吸收和散射光线。

但是，关于水到底是如何蒸发的，其精确机制仍未得以充分理解。传统上，蒸发率是用分子间的碰撞速率乘以一个含糊的、称作“蒸发系数”的因子表示的，这个因子介于0与1之间。几十年来，蒸发系数的实验测定值变动了三个数量级。由于蒸发在微观层面上发生的概率极低，需要旷日持久又极其复杂的计算机模拟，因此该方面的理论计算就被搁浅了。

加州大学伯克利分校的David Chandler与同事一起，采用一种叫做“传输路径采样”（transition path sampling）的理论描述了这种稀有事件，计算出了水的蒸发系数，接近于1，这与近期液体微射流实验得出的正常水和重水均为0.6的值吻合得相当好。

然而，该理论还存在一些小瑕疵。其一，科学家仍然不清楚为什么在更接近大气的条件下进行的实验得到的蒸发系数会低得多。此外，传输路径采样模拟表明，蒸发是由液体表面的表面张力波（capillary wave）异常增大所导致的，它可以拉伸并弱化表面水分子之间的氢键，从而蒸发。因此，向水中加盐会提高表面张力，并抑制表面张力波的波幅，理论上应当减小蒸发率。但实验研究表明加盐的作用很小，甚至没有。

4. 液态水的表面是酸性的还是碱性的？

环绕尼亚加拉大瀑布的水雾有些不同寻常：单个液滴的移动方式显示它们仿佛带着负电荷，对于大多数瀑布来说都同样如此。长期以来，科学家都认为这说明了液滴表面聚集有氢氧根离子（OH-），这就意味着液态水表面是碱性的——即pH值大于纯水的7，这在在凝胶科学家群体中已成为金科玉律。

神秘之雾：环绕尼亚加拉大瀑布的水雾有些不同寻常：单个液滴的移动方式显示它们仿佛带着负电荷

液态水的表面包含大量断裂的氢键，这产生了与主体部分相当不同的化学环境。但近期的实验和计算表明事实上主导液态水表面的是水合质子（H+/H3O+），产生酸性（pH低于7）、带正电的表面，而不是碱性、带负电的表面。

许多化学和生物学上的重要进程，比如大气的气溶胶-气交换、酶催化反应以及跨膜质子运输，都涉及水表面的质子交换，而且显然依赖于水表面的pH——而我们目前对水表面pH仍然一无所知。

5. 纳米约束的水有什么不同？

水并不总是在大海里自由自在地飞溅。在自然和人造设备中，水都经常被约束在超乎想象的微小空间里，比如反胶束、碳纳米管、质子交换膜以及干凝胶（高度多孔的玻璃状固体）中。

实验和计算似乎都表明，被固体壁约束在微小空间区域内（尺寸与几百个分子相当）的水开始表现出量子力学效应，包括离域性和量子相干性。这些特性与大量存在的水都极为不同，或许影响着从生物细胞到地质构造的一切事物。它还可能产生相当实用的功能，例如用于设计更高效的脱盐系统。

然而，目前的结果仍有些模糊，为了确定受约束的水的性质，在这领域还有更多的工作要。

作者简介：Richard Saykally是加州大学伯克利分校的化学教授。他发表过400多篇论文，引用次数超过30 000。