水在攝氏4度時密度最大之謎

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透過實驗證實，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，科學家透過理論計算與實驗，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儲存技術極有價值。