7.你知道与水相关的这些奇异现象吗

20世纪80年代，笔者曾读到一篇报道国外科技的文章，题目是《奇异的水》，说的是当时的苏联科学家对水作了分子级别的研究，并发现了一些与水相关的奇异现象。2015年，我又读到了美国华盛顿大学教授杰拉德·H.波拉克（Gerald H.Pollack）所著《水的答案知多少》一书的中文译本。

至今人类对于水及与水相关的研究还远远没有完结。从当年中国老子“上善若水”的哲学论述，到西方哲学家泰勒斯“万物由水构成，水是万物之源”的观察结论；由英国科学家卡文迪许实验证明水是两种气体化合而成，到当今时代中国科学家为水分子照相，人类对于水的观察和探索历经几千年，而无终结。而且越是研究深入，就越发感到水的神秘。

在自然界中，水的物理性质，要么是独特的，要么是处于这种性质的极端状态。这是由于水的化学组成和化学结构的特殊性所决定的。这些物理及化学方面的特点，又使得水在生物学上具有不可替代的作用。

“水，覆盖在地球上，弥漫于天空中，充斥在细胞里；水，无处不在，然而却没有你想象得那么简单。”这是上述《水的答案知多少》一书中的一句话。

的确，水对于常人来说，大家都似乎熟悉无比，因为无论是谁，每天都在与水打交道。可是，对于水的一些重要特性和相关现象也许还有许多人是不清楚的，甚至也没有去想过，包括一些专业人员也是如此。杰拉德在他的著述中就罗列出一系列水的现象，并通过简单而严谨的实验，揭示了水的不寻常性和水分子的排布结构及性质，从物质分子的微观层面上给出了一些自己的解答。这些解答不仅包含了丰富的化学、物理学、生物学等知识，同时也有着独到的新的见解。

杰拉德在他的书中指出，基础化学告诉我们，水有三种相态。杰拉德经过多年的研究发现：水不仅有固态、液态和气态三种相，还存在第四种相——液晶态。同时，他还举了十几个例子来说明一些与水相关的奇异现象。

（1）干沙子和湿沙子。如果一个人踩进一堆干沙子，脚就会深深地陷到沙堆里。但是他如果踩进水边的湿沙子，脚却几乎陷不进去。这是为什么？实际上，湿沙子非常结实，它甚至可以垒成一座城堡。因为湿沙子的沙粒间空隙大部分充满了水，而干沙子的沙粒空隙间则大部分充满了空气，所以水在湿沙子的沙粒间起到了黏结剂作用。

（2）果冻。果冻几乎都是由水构成的，但既然其中全部都是水，为什么水却流不出来？实际上，就算是含水量为99.9%的凝胶，也不会流出水来。

（3）纸尿片。为什么纸尿片能够吸收50倍于自身重量的尿液，或是800倍于自身重量的纯水？

（4）滑溜的冰。固态材料之间的相互滑动不是很容易。假如你是站在一块水泥地面上，摩擦力使得你不会滑倒。但是当地面上有冰时，那你就有可能滑倒。冰为什么是滑的？

（5）热水结冰更快。把一杯用热牛奶做的冰激凌和一杯用冷牛奶做的冰激凌同时放在冰箱里，为什么前者会冻得更快？

（6）漂浮的冰。水和大部分物体一样，它的体积会随着温度降低而收缩，即热胀冷缩。但收缩的现象到4℃时就会停止，一旦温度低于这个临界值时，水又会开始膨胀。水在结冰之后，体积又会膨胀得更多。为什么4℃这么特殊？为什么冰的密度比水小这么多？

（7）上升的水。植物的叶子都很需要水，树木为了补充水分，都会从树根吸收水分。这些水会通过茎中狭窄的管道上升至树木的顶部，但是对于那些100多m高的树木来说，它们的毛细管是如何克服水的重力，而不中断地把土壤中的水分送到树冠的？

（8）云彩。天空中漂浮着一块块蓬松的云朵，这是由于水蒸气不断地上升到天空所形成的。但为什么分散的水蒸气到了天空就会“扎堆”聚集在一起形成了云团，而不是平均地分散于广阔的天空？

还有诸如为什么水滴可以漂浮在水面上？为什么液态水可以在两个烧杯之间形成一道水桥？舌头为什么会被粘在冰棒上面……等等，这不禁使人们也可以联想到一些类似的现象。比如在一块潮湿的沙滩或泥土地上，用一条竹板或木棍用力拍打地面，就会发现，不一会儿地面就会被“打”出水来。

这些看似简单的问题其机理却很复杂。要解释这些现象，用我们一般的对于水的知识是无法说清楚的。只能对于水做分子级别的研究，认清它的分子结构和特性，才有可能做出合理的解释。

我们再来看看自然界还有一种奇异的现象与水有关。

有些昆虫如水上蚤之类，它们能在水面上大步行走，如履平地，却不会掉进水中。这是怎么回事呢？以前有研究者认为这是虫子依靠了水表产生波纹的表面张力。美国麻省理工学院的约翰·布什教授领导的研究小组使用尖端跟踪装置和高速视频相机，捕捉到不同昆虫在水面上行走的细节。观测表明，这类昆虫并不是依靠在水表产生波纹的表面张力，而是利用其多毛的长腿，在水中制造出螺旋状的漩涡，借助漩涡的推动力，以15240m/s以上的速度向前行走。这类昆虫有成百上千种之多，它们身长1～20cm，都能自如地在水面上行走。

这使我们联想到中国古代名著《西游记》中的孙悟空和他的两位师弟以及众多的神仙，他们都有腾云驾雾和分水法的本领，既可以在云彩上跨步如飞，也可以在水中行走自如。那么，《西游记》的作者是否受到了现实中这些昆虫在水面上行走的启发呢？

21世纪初，中国科学院化学研究所研究员江雷和博士生高雪峰也曾对一种小型水生昆虫水黾（音miăn）展开了研究。水黾有“池塘中的溜冰者”的美称，因为它不仅能在水面上滑行，而且还会像溜冰运动员一样能在水面上优雅地跳跃和玩耍。它们的动作不会划破水面，也不会弄湿自己的腿。对此，科学界过去也持各种不同的见解。

水黾是一种在湖水、池塘、水田和湿地中常见的小型水生昆虫，身长大约1cm，长有6条细长的腿，足上有纤毛。水黾能在水上行走，传统教科书的解释是水表面的张力在起作用。

什么是水表面的张力？比如1分钱的硬币重约1g，比重比水大，可是把它轻轻放在水面上，硬币却能漂浮，这就是水表面张力的作用。

水的表面有一层膜称为表面层，处在气体与液体之间。液体表面层由于跟空气接触，与液体内部情况有所不同。液体表面层里分子的分布要比液体内部稀疏些，也就是分子间的距离比液体内部大一些。在液体内部，分子间的引力基本上等于斥力；在表面层中，由于分子间的距离比液体内部大，分子间的相互作用表现为引力。这种液体各部分间相互吸引的力称为表面张力。在表面张力的作用下，液体表面有收缩到最小的趋势。

水滴之所以能变成圆球形，也是由于表面张力在起作用。换句话说，因为水具有较强的极性，水分子之间就有较大的作用力，液体水滴的圆球形状可以使其达到最稳定的状态。

那么，水滴的表面张力有多大呢？可以这样说，比水滴小的虫子，它是不能冲破表面张力而钻入水滴中去的。

水黾属于水生半翅目类昆虫，种类很多，大小也不同，一只中等大小的水黾重约30mg，比水轻，所以，它在水面上行走时不会沉入水中。此外，水黾足的附节上，生长着一排排不沾水的毛，所以，与足接触的那部分水面会下凹，但它的足尖却不会冲破水的表面张力。但如果往水里加一点中性洗涤剂，就会削弱水的表面张力，这时，走在水面的水黾足上的毛会被沾湿，足冲破了表面张力而穿入水中，水黾就会沉入水中，并且由于表面张力的作用，它们就再也浮不上来了。

约翰·布什教授的研究小组也发现水黾的腿就像桨一样在水中划行，从而让它能够快速地在水面飞奔。他们认为，水黾的腿不被弄湿是关键，如果它们不小心被水淹没，就必须用10倍于身体的力量才能浮出水面。这种解释似乎看起来很有道理，但却无法解释水黾为什么在暴风雨的袭击中也能生存，而且水黾还会弹跳，弹跳时它们的腿脚为什么不会湿？如此说来，会不会是它们的腿能够分泌油脂呢？

油脂是可以浮在水面上的，如果水黾之类的腿脚能分泌出油脂，再加上水表面的张力，水黾不就可以稳当地浮在水面上了吗？

为了证明这个问题，江雷等人做了一个人工的水黾腿，并在上面涂了一层蜡。这条腿能够让水黾在水面上静止一会儿，但却经不起水的波动。

研究发现，水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，这就是这种昆虫非凡浮力的原因。水黾的一条长腿就能在水面上支撑起15倍于身体的重量而不会沉没。而油脂层和水表面的张力却没有如此大的浮力。

水黾能以极快的速度在水面上滑行以捕捉猎物。它在水面上每秒可滑行100倍于身体长度的距离，这相当于一位身高1.8m的人以643720m/h的速度游泳。

其实，水黾腿部特殊的微纳米结构才是真正原因。江雷领导的研究小组在高倍显微镜下发现，水黾腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。

人类头发的直径大约在80～100μm之间，而这些像针一样的微米刚毛的直径还不足3μm，表面上形成螺旋状纳米结构的构槽。吸附在构槽缝隙内的气泡形成气垫，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，保证不会将腿弄湿，从而使得水黾在水面上自由地穿梭滑行，即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没。水黾的多毛腿一次能够在上面划出4mm长的波纹。研究人员将水黾毛腿的这种性质称为超疏水性。

江雷说，水黾腿部刚毛的疏水性类似于鸭子背部的毛，但是，普遍的疏水性（或抗水性）也许会让昆虫在水面上待一会儿，轻微的触动或扰动就会打破这种平衡。然而，在水黾腿部和水面间形成的空气垫却让它们在水面上快速而稳定地行走或奔跑。鸭子和其他一些动物也拥有这种疏水的特性，但它们大多都没有超疏水特性。

最后，他们的研究成果发表在英国的《自然》期刊上。研究者认为，通过对水黾纳米刚毛的疏水性能研究，不仅可以探索到纳米刚毛对水表面张力、流体阻力的影响规律等，还可望在不久的将来依照仿生学原理用于新型防水纺织品的生产，甚至设计出新的微型水上交通工具，如长着长腿的船舶等。