奈米冰解開水的最大密度之謎
作者｜東京大學黃郁珊博士/東京大學陳藹然博士
地球在宇宙中有藍色行星的美稱，因為地球表面被大範圍的水覆蓋，同時水也是地球生命的重要組成。儘管多年以來人類對水進行大量且深入的研究，液體水仍有許多異常現象尚未被完全理解，例如大家都學過：水在4oC擁有最大密度，但是卻一直無法好好解釋這個眾所週知的現象。由國立交通大學濵口宏夫講座教授領軍，臺灣與日本的合作團隊，觀察到水在低溫下形成奈米尺寸的微冰晶，可能是造成水的最大密度異常現象原因。
水常見的三態是：水蒸氣、水和冰。冬季湖面結冰，冰浮在水面上，這是因為冰密度比水小。觀察冰的結構會發現，水分子彼此之間以氫鍵（示意圖中的虛線）組裝成一個龐大的立體網狀結構，這個網狀結構裡含有很多的空隙，造成冰的密度比水來得小。研究團隊利用拉曼光譜法測定了-23 ~ 45oC的範圍內140個水樣品，詳細分析各個溫度區間的光譜後發現：樣品中有A、B、C三種型態的水，其中A是氫鍵結構鬆散的水（Form A），B是氫鍵結構規律排列的水（Form B），以及氫鍵高度規律排列而形成「類似冰」型態的水C（Form C）。將「類似冰」的型態水C之光譜分析結果與純冰的結果比對非常類似，故推測這「類似冰」的型態水C實際上可視為奈米尺度的微小冰晶「奈米冰（Nano-ice）」。（圖一）
奈米冰於溫度低於10oC時開始生成，顯示奈米冰與型態A（氫鍵結構鬆散的水）、型態B（氫鍵結構規律排列的水）的水共存於冷水和過冷卻水中。由於「奈米冰（Nano-ice）」存在（或可稱為懸浮）於水中，抑制了原本該增加的液態水密度，因此最終表現出水於4oC時密度最大的異常行為。也因為奈米冰的存在，嚴格說來低於10oC的水不應該視為純液體。
此外研究團隊計算三種型態水在不同溫度下所占有的比例，水的密度和溫度的關係圖(圖二)，得到估算出水最大密度落在4.7oC，與實驗觀察結果完全相符。水於4oC時具有最大密度之謎終於被解開了，下次自然科教師在課堂上就可以很容易回答這個問題。
(b) 水的溫度相關拉曼光譜的高光譜分析揭示有三種不同形式的水存在，氫鍵結構鬆散的水（紅色）、氫鍵結構規律排列的水（藍色） 與奈米冰（綠色)。
參考資料：
- “Formation of “Nano-Ice” and Density Maximum Anomaly of Water” Bull. Chem. Soc. Jpn. 2018, 91, 991–997
- “解開水之謎交大團隊新發現 將改寫理化課本” http://www.nctu.edu.tw/component/k2/item/3074-2018-06-29-05-52-41
