水是自然界非常常见的物质，看上去非常的普通，但在搞物理的人眼里却蕴含着太多的谜题。为什么热水可以比冷水更快的结冰？为什么4摄氏度水的密度*，为什么水结成冰能迅速从无序变成有序？

水的量子特性

在香山科学会议上，中科院院士杨国桢指出，水分子构成简单，常以不同类型的分子团存在，但结构复杂，奇异，呈现出明显的量子特性。从微观层面研究水，将对生命科学、能源、材料、环境等领域意义重大。

比如在某些金属表面，氢与氧的结合能会大大降低，有一定的概率，氢是处在自由状态的，这意味着假如找到合适的催化剂，将助推能源工业跨过”水变氢“的能量鸿沟。

一般认为水在很细的管子里会受阻，流动速度会变慢。但实验显示，水分子在几纳米直径的管道里的实测流速比流体力学预测的速度高1-10万倍。这对海水淡化有重大的意义。

对于占人体70%左右的水来说，科学家发现，在生命体系中，离子和分子在生物酶的作用下表现出量子化的超快流体状态，从而大大提高反应效率、降低反应门槛。比如天然橡胶在橡胶树中只需要30摄氏度的反应温度就可合成，而人工合成的反应温度却高达92摄氏度。

水分子团结构

雪花基本都是呈六角对称的形状，但是却很难找到两片形状相同的。日本的医学博士江本胜团队在冷冻室中以高速摄影的方式长时间拍摄和观察水的结晶，发现水非常多的结晶状态。由此写了一本书《水知道答案》。

为什么南极的鱼不会结冰呢？

大家知道南极的气温非常低，很多水会结成冰，但是这里的鱼却可以自由自在的生活，经科学研究发现，这些鱼的血管里有一种叫抗冻蛋白的物质，它可以抑制水变成冰。而与此相关的是，我们在冷冻人体或者器官实验时，必须保证细胞内的水不能结冰，水一旦结冰，可能变成小的冰渣，会刺破细胞膜，从而使器官失活。

热水更容易结冰

我们来做一个实验，把一瓶热水和一瓶冷水同时放进冰箱，你会发现热水比冷水更快结冰，这是一个非常奇怪的现象。根据我们的常识，大部分物质从液体变成固体的时候，它的体积会减小，但水结成冰的时候，它的体积反而会变大，密度减小，水在4摄氏度时密度*。

水的七十多条反常特性

有人总结过，水大概有70多条反常特性。除了刚才讲的热缩冷胀，即密度的反常，还有很多如高比热、高熔点、热导、张力等特性。这些性质都还处于研究之中，大家还不能完全了解它内在的机制到底是什么。因此，《科学》在创刊125周年的时候，提出了本世纪具挑战性的125个科学问题，其中一个问题就是“水的结构是什么”，这说明水的结构实际上是了解水的性质**关键的一环。

在经典的图像中，简单的水就是两个氢和一个氧，即使给它加热，加一些扰动，它还是这种构型，但我们用更**的手段分析，发现氢原子在空间中有一定位置的涨落，也就是说它没有确定的位置，而是一些概率上的分布。

氢原子的空间涨落现象对水的结构和性质产生非常大的影响，包括氢键相互作用，从而使水展现出一些非常反常的特性。举一个例子来看，如果我们不考虑氢原子空间上的量子效应，那么我们体内很多的化学反应可能根本就不会发生，或者说减慢1000倍以上。所以没有水的量子效应，我们人可能就不存在，所有的生物也不会存在。

冰的边界

冰是怎么长出来的呢？我们把冰层一层一层的减薄，**减到单层冰，它的结构是什么样子呢？科学家们发现，它是一个蜂窝状的结构，跟我们所熟知的石墨烯蜂窝状结构一模一样。我们知道了冰是怎么长出来的，就可以去制备一些特殊的材料，来抑制或者促进冰的形成。

在原子层次看清"盐水"

把一勺盐倒进水里，盐很快就溶了，这是因为水分子会慢慢地把钠和氯两种离子拽走，同时水分子会包裹在被拽走的离子周围，形成一种团簇结构，这就是离子水和过程。

我们在微观上发现，当离子周围包裹特定数目的水分子的时候，这个离子水合物可以在表面非常快的扩散。离子必须要穿过离子通道才能被人体吸收，离子通道非常的窄，很反常的是，实际上离子能够快速的通过离子通道。所以我们认为离子在通过通道时候它周围包裹了特定数目的水分子，水分子可以帮助离子**的通过离子通道。