氢键规则带你探索神奇的冰水世界

水是一切生命的起源和重要组成部分，也是构成炫彩世界的重要元素，留下了不计其数的浪漫奇迹和不解悬疑。“爱的声音”能结出近乎完美的冰晶结构，而“厌恶情绪”则会形成奇异的丑陋形状；液滴能在水面上“踢踏”舞动，逐渐缩小、消失；悬于水面的浮冰守护着寒带动物的生存与繁衍；一杯热的冰淇淋混合物比冷的能更快速地冰冻成型；悬于空中既不分离也不凝结的云与雾；憨憨企鹅在冰面上自由滑翔；等等。

神奇的冰水异象

人们对水的研究最多，然而知之最少；研究投入越多，手段越先进，认知却越迷茫。英国《自然》杂志前资深编辑菲利普?鲍尔曾经指出，水真的是太神奇、太反常、太具有挑战性了，甚至断言根本就不可能有人真正知道水的秘密。美国《科学》杂志也在年纪念创刊周年之际将“水的结构”列为人类亟需解决的个难题之一。

所有的努力对水科学研究进展都做出了不可磨灭的贡献，所有的艰辛付出都值得敬佩，所有的成果都应该珍惜。但是当某问题久思而不得其解时，一定是由于某种原理上的危机和对关键因素的忽视。系统地破解水的结构和反常物性悬疑的挑战提示我们必须从源头重新思考。

孙长庆教授三十余年来主攻化学键的弛豫，系列成果汇集出版了双语专著RelaxationoftheChemicalBond(Springer,)、《化学键的弛豫》(高等教育出版社，)，提出“控制键与非键的形成与弛豫以及相应的电子转移、极化、局域化、致密化动力学是调制物质结构和性能的唯一途径”的思想。

也许是注定的缘分，深秋的某天，孙教授在暖暖地泡脚时，脑中的某条化学键突然兴奋起来，激发了灵感！冰与水不也是化学键链接而成的嘛，是否找对了基本的键单元就可以从源头来探究冰水的各种奇异物性？自此，孙教授一头扎了进去。

水分子(H2O)含两个氢原子一个氧原子，及其简单。但是，氧原子因杂化形成四个电子轨道，构成以氧原子为中心的正四面体结构。自此，中心水分子的最近邻水分子分居于正四面体顶角，并能从中提纯O:H—O氢键单元，也能拓展出水分子的空间堆垛状态。

氧原子杂化、水分子配位、O:H—O氢键单元以及水分子空间堆垛

O:H—O氢键单元结构上包含O:H非键和O—H极性共价键两分段，单元内作用力包含O:H的类范德瓦耳斯弱作用、O—H共价强作用以及O-O上电子对间的库仑排斥作用。O:H和H—O两段一弱一强，在库仑调制下协同弛豫，故称为O:H—O非对称强耦合振子对。

采用这一条非对称超短程强耦合氢键振子对代表冰水样本中所有的同类氢键，并专注于这条代表键的时空与能量行为以及它的演变对可测物理量的贡献，这是长期“化学键弛豫”研究形成的思维模式。一系列实验和模拟结果验证“O:H—O氢键非对称耦合振子对的受激协同弛豫及其分段比热差异主导冰水的单晶结构和超常自适应、自愈合、强记忆、高敏感等特性”。

氢键协同弛豫解读冰水异象——热水为什么比冷水结冰快？(，)

加热会缩短并硬化H—O共价键，从而存储能量。倘若在冰箱里冷却，H—O共价键会以指数速率释放能量，热水会更快地失去更多能量而快速结冰，从而产生姆潘巴现象。

氢键协同弛豫解读冰水异象——冰为何如此光滑？(《新科学家(NewScientist)》，GileadAmit，-09-02)

冰表面水分子之间的O:H弱键因低配位而拉伸，并不会像液态水，键不会发生断裂，冰的表面层更适合称为“超固态表皮”。软化的O:H键如弹簧般与冰表面接触物质表皮偶极子连接，形成静电排斥，使冰表皮呈现超润滑特征，类似磁悬浮列车的电磁力效应以及气垫船船底的空气压力效果。

《氢键规则六十条》从氢键(O:H—O)分段受激协同弛豫出发，定量破解了水的结构和冰水在外加力场、温场、电场以及改变配位环境时所显示的各种反常物性，以揭示这些悬疑的共同机制和相互关联。主要包括浮冰、复冰、润滑、过冷、过热、热水速冻，以及纳米水滴和气泡的超常热稳定性等。

冰、水与溶液研究中的