瞬間把水變冰

大家知不知道水為什麼會變冰?

其實, 300多年前，人類就已知道水在攝氏4度時密度最大這一現象。雖然這一現象僅僅是由於水的分子結構造成的，但對於水的這種特性，人們至今仍不能作出科學的解釋。 　　
日本物質材料研究機構物質研究所研究員三島修和鈴木芳治通過實驗證實，在低溫條件下兩種非晶態冰之間存在不連續性轉移。在低溫情況下，低密度水和高密度水呈完全不同的形態。這項研究不僅首次解釋了水在攝氏4度時密度最大的現象，而且在生態系統、水溶液系統等與水有關的領域有廣泛的研究與應用價值。該成果發表在最新一期的《自然》雜誌上。

多年來，科學家通過理論計算與實驗，一直在進行水的非晶態多樣性研究。水通常在攝氏零度時結冰。但水在攝氏零度以下時也可保持液體狀態，稱作過冷卻水。當過冷卻水到達臨界點以下時就會分離出兩種狀態，既低密度水和高密度水。與此相對應，也存在低密度和高密度兩種非晶態冰。由於水在低溫時易於結冰，也由於沒有非晶態冰之間互相轉移的現存理論，水的非晶態多樣性學說存在很多爭論。其中之一就是兩種密度的非晶態水是否會發生連續轉移。

日本科學家的這項研究，觀察了高密度非晶態冰（HDA）向低密度非晶態冰（ LDA）變化的過程。發現 H DA在零下158攝氏度以下時整體均一膨脹，在零下158攝氏度時隨著不均一的體積變化迅速向 L DA轉移。在轉移過程中，出現兩種成分共存狀態，隨著時間推移， H DA和LDA逐漸分離。研究證實，低溫下兩種水之間的轉移是不連續的。

科學家認為，這項研究成果是揭開水領域各種問題的重大突破，將對今後過冷卻水等研究產生重大影響，同時將帶動對同溫層中的雲的研究及在冰點下活動的動植物細胞記憶體在的過冷卻水的研究。如果今後能夠控制這兩種水的臨界點，就可以自由控制水的結晶，對人類控制地球環境和開發生物冷卻保存技術極有價值。


這是水最奇特的特性之一。

在絕大多數物質都是熱漲冷縮的時候，水是反常的。水在低於4度是是熱縮冷漲，導緻密度下降，例如同樣質量的冰密度比水小，體積比水大。而大於4度時，則恢復熱漲冷縮。同樣質量，體積大了，密度當然就小了。
4度是平衡臨界點。因此水在4度時密度最大。

這是保障生物存在的很重要的一點，因為當水結冰的時候，冰的密度小，浮在水面，可以保障水下生物的生存。當天暖的時候，冰在上面，也是最先滑凍。如果冰的密度比水大，那所有的水生生物都不會存在了。因為冰會不斷沉到水下，天暖的時候也不會解凍，來年上面的水繼續冰凍，直到所有的水都成了冰。

具體的原理是，水是由氫氧離子組成的，因為氧離子和氫離子的負電荷傾向性（electronegitive）不同，形成共價鍵。而水分子的V型幾何結構，導致其為偶極(polar）共價鍵。氧離子為負電荷，氫離子為正電荷。
這就導致生物學上一個極重要的現象，氫鍵（hydrgen bond）。氫離子通過氫鍵和其他水分子結合。因為氫鍵的鍵能不大，所以在每一暫態，每個水分子都結合和分離數十億次氫鍵。
水分子在液體狀態下是無序運動的，隨這溫度的增高而運動加大，從而導致體積變大。這就是為什麼水在4度以上時，密度變小。
當水低於4度時，水分子運動減慢，導致氫鍵合成的增多，水趨向於固體。因為氫鍵的鍵長要大於水分子的平均距離，所以當所有的水分子都被氫鍵固定住，也就是形成了冰，其體積反比水大。