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水，是一种极其普通的物质，也是大自然最神奇的杰作。水滋润了万物，哺育了生命，成为我们生活中不可或缺的存在，以至于我们早已司空见惯，对其习以为常。但事实上与其它液体相比，水是一种极其奇特的液体，人类对水的了解更是少之又少。最近，科学家对水的微观结构进行了研究，揭开有关水的神秘面纱…
水最怪异之处在于其不寻常的密度。我们都知道这一常识：通常情况下，随着液体水温度降低，水分子的排列会变得越来越密集，在温度约4℃时密度达到最大值，即1.0g/(cm^3)。当温度继续降低至4℃以下时，由于形成分子间氢键，液态水的密度较小，所以当水在0℃发生相变（液态-固态）时，冰比水的密度小。这就是为什么冰会漂浮在水的上面，冬季水体自上而下冻结的原因。
此外，水还具有相当高的表面张力。除汞之外，水的表面张力是所有液体中最高的。正因如此我们可以经常看到水珠滚落的景象，许多化学物质可以在水中溶解，而且水的沸点也非常高。为了研究水的这些奇异特性，科学家们需要深入到分子水平了解水的与众不同之处。
在室温和0℃以下，水分子一般呈现四面体排列，每个水分子都像搭建金字塔一样与其它四个分子相连。布里斯托尔大学和东京大学的研究人员使用超级计算机和计算机模型模拟改变水分子的金字塔样从而进一步研究水的性质。通过一系列调整，可以使水的性质发生反转，例如，将冰的密度调整至大于液态水的数值，使其沉到水底。
研究小组表示：“通过这一构建，我们发现水的异常特性源于水分子特殊的四面体排列。四个水分子形成的四面体在中心共享一个水分子而不发生重叠，这样高度有序的分子排列与其他无序排列的液体分子混合在一起，赋予了水的特异性质。”
正是水这样的性质，使我们的生活丰富多彩。水不易被压缩，这意味着它可以被推动，例如流经携带血细胞的血管；又因为它是一种很好的溶剂，我们体内的水可以溶解我们需要的营养物质；低密度的冰水也能保护生命，如果湖泊从底部冻结，水中的生命将会消失；正是由于水结冰时体积发生膨胀，当水渗入岩石、冻结、膨胀并将岩石从内部分开，反过来帮助塑造多姿多彩的地球，宇宙就是这样神奇…
文/朱张航宇
参考文献：Water-like anomalies as a function of tetrahedrality, PNAS, 2018, doi:10.1073/pnas.1722339115.
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