說不盡的水之二

陳仁政

科學(xué)家通過對(duì)水的研究，已經(jīng)揭開了許多科學(xué)之謎，不過，仍然有許多關(guān)于水的謎還沒有揭開。

孤子理論的誕生和發(fā)展

1834年8月的一天，年輕的蘇格蘭土木工程師與船舶設(shè)計(jì)師約翰·羅素在尤寧運(yùn)河河邊勘探。開始，他看見有兩匹馬拉著一條船在迅速前進(jìn)，后來，當(dāng)船停止前進(jìn)時(shí)，他偶然發(fā)現(xiàn)船頭聚集了一個(gè)巨大的圓而光滑像饅頭狀的水包（水波）。這水包長約1米，比河面高出約30厘米，以14千米每小時(shí)的速度在河面上推進(jìn)了2千米。羅素策馬揚(yáng)鞭緊追不舍，密切觀察這一難見的“河上奇觀”，一直追到水波消失為止。后來，人們將這種水波稱為“羅素水波”。

我們通?？吹降乃ǎ偸窍蛩拿嫔㈤_而很快消失，且有波峰和波谷；而羅素水波為何僅有波峰且能推進(jìn)2千米遠(yuǎn)并保持形狀不變呢？這一問題引起了科學(xué)家們的極大興趣。很多年之后，人們才用“非線性效應(yīng)”和“色散效應(yīng)”加以解釋。1971年，美國物理學(xué)家諾曼·查布斯基在大水箱中成功地人為造出了這種水波。人們還發(fā)現(xiàn)，如果同時(shí)有兩個(gè)這樣的水波碰撞，結(jié)果是碰撞之后會(huì)各走各的路，形狀也不會(huì)改變。這很像是一種物質(zhì)實(shí)體，人們將它稱為“孤立子”或簡稱“孤子”，并創(chuàng)立了相關(guān)的孤子理論。

1980年，中國赴美留學(xué)生吳君汝首次在2厘米深的小水槽中發(fā)現(xiàn)了一種奇異孤子，曾引起過極大的轟動(dòng)。100多年來科學(xué)家對(duì)孤子理論的創(chuàng)立和研究，不但使它成為前沿科學(xué)之一，而且應(yīng)用范圍已經(jīng)超越了諸如凝聚態(tài)物理、天體物理、非線性光學(xué)、材料科學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、流體力學(xué)等物理領(lǐng)域而進(jìn)入生物學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)諸領(lǐng)域，還對(duì)自然科學(xué)各分支中存在的大量非線性現(xiàn)象的研究產(chǎn)生了巨大影響。孤子理論還被用于激光的研究、導(dǎo)電塑料的研制、電磁導(dǎo)彈的制導(dǎo)等。當(dāng)然，現(xiàn)在的孤子概念已經(jīng)不再局限于水波孤子了。

然而，雖然科學(xué)家對(duì)孤子理論的研究取得了許多成果，但是迄今還有不少謎團(tuán)尚未揭開。

氫鍵的研究

1912年，英國科學(xué)家托姆·摩爾和托馬斯·溫米爾在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)比氫氧化四甲基胺與水合三甲基胺的弱堿性之后，意識(shí)到“氫鍵”的存在，并提出了水合三甲基胺的雙氫鍵結(jié)構(gòu)，揭開了研究氫鍵的序幕。1920年，美國化學(xué)家拉梯默爾與羅德布什研究了水的相對(duì)介電常數(shù)大得反常的現(xiàn)象之后，首次明確提出了“氫鍵”的概念。 20世紀(jì)50年代初，西吉因斯等科學(xué)家根據(jù)氫鍵比范德華力大和方向不嚴(yán)格等現(xiàn)象，提出分子之間趨向于盡可能多地生成氫鍵，以降低體系能量的觀點(diǎn)。其后，美國分子生物學(xué)家沃森和弗朗西又提出了DNA分子中的堿基間生成氫鍵的理論，進(jìn)一步擴(kuò)大了對(duì)氫鍵的認(rèn)識(shí)。

后來，科學(xué)家們經(jīng)過對(duì)物質(zhì)中不斷發(fā)現(xiàn)的氫鍵的研究，更加深了對(duì)氫鍵的認(rèn)識(shí)。例如，把氫鍵細(xì)分為“正常氫鍵”“π型氫鍵”“雙氫鍵”“單電子氫鍵”等類型。

現(xiàn)在比較流行的氫鍵理論是：氫鍵是靜電吸引、偶極子間的吸引和共振的結(jié)果，具有不嚴(yán)格的方向性和飽和性。氫鍵在理論和實(shí)踐中都有重大作用。例如，用它成功地解釋了許多物質(zhì)（例如水）的沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、熔解熱、汽化熱與體積變化等的反?，F(xiàn)象；它對(duì)人們深化對(duì)蛋白質(zhì)螺旋結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)、對(duì)DNA雙螺旋模型的建立，也功不可沒。

不過，氫鍵理論至今仍然不完善，仍有待科學(xué)家新的探索。

過冷水之謎

“過冷水”是指低于0°C時(shí)卻仍然保持液態(tài)而不結(jié)冰的水。

1988年，德國物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了在-70°C時(shí)不結(jié)冰的水。當(dāng)時(shí)他們把極純的水放在直徑0.05～0.2毫米的玻璃管內(nèi)，置于40.52大氣壓下，水仍然沒有結(jié)冰，而是成為像蜂蜜一樣的黏稠液體。這一發(fā)現(xiàn)意義非凡—發(fā)現(xiàn)了水在一系列物理形式中前所未有的現(xiàn)象。

1992年，美國波士頓大學(xué)科學(xué)家彼得·普爾和吉恩·斯坦利在實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)一個(gè)反常現(xiàn)象，即0℃以下的過冷水的密度，溫度越低時(shí)起伏越大。通常，溫度越低，分子越不活躍，密度起伏應(yīng)越小。對(duì)于這種反常的密度變化，他們給出的解釋是：水的液-固相有兩個(gè)“臨界點(diǎn)”，第一臨界點(diǎn)是0℃，第二臨界點(diǎn)低于0℃。在第二臨界點(diǎn)，水會(huì)在兩種狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)變，兩種狀態(tài)的水性質(zhì)不同。兩種狀態(tài)互相轉(zhuǎn)化時(shí)，都會(huì)使密度突變，這一突變?cè)谂R界點(diǎn)時(shí)最為顯著。在這個(gè)臨界點(diǎn)處，水不是一種液體，而是兩種液體：一種水中的水分子是規(guī)則的四面體結(jié)構(gòu)，密度較低；另一種則是無序和高密度的。不過，關(guān)于水是兩種液體的說法，不少人也持懷疑態(tài)度，甚至說普爾等人偽造實(shí)驗(yàn)結(jié)果。大多數(shù)研究者認(rèn)為，上述反?？梢杂贸Ｒ?guī)理論來解釋。其中一種觀點(diǎn)認(rèn)為，僅僅是過冷水在凝固時(shí)的一種特殊現(xiàn)象，或者是在非常低的溫度（例如-45℃）下，過冷水轉(zhuǎn)變成了一種無序的固體。

癡迷于水研究的瑞典科學(xué)家安德斯·尼爾森綜合了多年水實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，提出水的確有兩種不同的液態(tài)：一種水分子無序而且致密，另一種水分子則是規(guī)則的四面體結(jié)構(gòu)，密度較低。在常溫常壓下，低密度的水分子隨機(jī)嵌入高密度水分子中，人們不可能看到這種現(xiàn)象。在眾人的質(zhì)疑聲中，尼爾森決定用實(shí)驗(yàn)讓大家看到水的第二臨界點(diǎn)。2017年，他遠(yuǎn)赴韓國，借用最先進(jìn)的技術(shù)制造出超純凈的液態(tài)水，并通過實(shí)驗(yàn)證明了水在同一壓強(qiáng)、同一溫度時(shí)，存在兩種不同的密度。他于2017年12月發(fā)表實(shí)驗(yàn)報(bào)告宣布找到了水的第二臨界點(diǎn)。

不少人認(rèn)同尼爾森的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是，也有人質(zhì)疑，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中記錄對(duì)象是水滴，而水滴在整個(gè)過程中體積的變化極小，對(duì)于這微小的體積變化的解釋有許多種，而第二臨界點(diǎn)只不過是其中一種，尼爾森不過是為了切合自己的設(shè)想，選中了這種解釋而已。

荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的桑德·沃特森團(tuán)隊(duì)采用了不同的方法，嘗試用防凍劑來防止水因?yàn)榻禍囟Y(jié)冰。他們?cè)?018年3月發(fā)表論文證實(shí)水確實(shí)存在第二臨界點(diǎn)。于是，水的第二臨界點(diǎn)又有了新證據(jù)。

中國科學(xué)院物理研究所孟勝博士于2019年發(fā)表論文，文章認(rèn)為“水是兩種液體”的原因是：因?yàn)槊芏炔煌?，它們的氫鍵的類型、氫鍵的鍵長等參數(shù)不一樣，如黏滯性和擴(kuò)散系數(shù)在內(nèi)的性質(zhì)也就有差別?，F(xiàn)在“水是兩種液體”的觀點(diǎn)仍處在假說階段。

重水與超重水之謎

重水（D2O，D是氫的同位素重氫—氘的元素符號(hào)）與超重水（T2O，T是氫的同位素超重氫—氚的元素符號(hào)）可分為人造的與天然形成的。其中，天然形成的重水極其稀少—在天然水中的占比大約為0.02%；超重水則更加稀微—占比不到10-9（十億分之一）。在“外觀”上，重水與超重水和普通水相似—無色、透明、無味、無臭。

1931年底，美國科學(xué)家哈羅德博士首先發(fā)現(xiàn)了氫的第一個(gè)同位素氘，他也因此獨(dú)享1934年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。氫的第二個(gè)同位素氚則是1908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主盧瑟福在1934年發(fā)現(xiàn)的。氘和氚可用于制造氫彈。

1933年，美國物理化學(xué)家吉爾伯特把10升電解槽廢液反復(fù)電解之后，得到濃度大約是65.7%的0.5微升重水，再電解之后得到接近純凈的重水。他首次人工制成了重水微滴，并成功地測定了重水的某些物理常數(shù)。蘇聯(lián)物理學(xué)家阿捷耶夫最先猜測，北極冰中包含著由重水結(jié)成的“重冰”。當(dāng)自然環(huán)境允許時(shí)，重水會(huì)暫時(shí)從自己的永久伴生物中分離出來。

百分比濃度較大的重水或者超重水，不能使種子發(fā)芽，如果被人或者動(dòng)物大量飲用，還會(huì)引起疾病甚至死亡（重水的致死濃度為60%），但是某些細(xì)菌能在較高濃度的重水里存活。由于在天然水中，重水和超重水的含量微不足道，所以人們不必?fù)?dān)心飲用普通的水會(huì)損害健康。

目前，重水和超重水主要作為減速劑用在核裂變反應(yīng)中。重水中的氘作為示蹤原子，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。將重水中的氘和超重水中的氚用于受控核聚變來提供大量能源的“美好愿景”的研究還在“火熱進(jìn)行”中，但是“八字還沒有一撇”。