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撰文 犀牛
前段時間網上的瓜呈聚集性爆發，想必大家放開吃了不少。
科學家也吃瓜，不過和我們守網待瓜不同，他們都是朝著一個方向主動出擊、千里追瓜。
水分子之間的關係，就是科學家要追的一個瓜。儘管水是我們再熟悉不過的事物，也是生命的基礎，但我們至今還沒能完全理解水，其中水分子CP的瓜，也沒能吃的特別明白。
水分子之間的關係，是以氫鍵相互作用來實現的，也因此形成了撲朔迷離的結構。我們眼中無形的水，並非真的無形。
這些結構決定了水一系列反常的特性：水在4℃的時候密度最大，凍成冰後的密度反而比水要小，也正是這個原因，冰封湖面下的游魚才能安然過冬；水的比熱容比其他常見物質的可能都大，升溫難、降溫也難，所以水體周圍的溫差就不是很大；水是汞以外表面張力最大的，這對動植物體內的水分和營養運輸至關重要。
那是什麼樣的微觀結構賦予了水這些特性的？水分子們是兩兩結對、三人成行，還是雨露均霑？
經典的模型認為，液態水的微觀結構和最常見的冰類似。幾乎我們看到的所有冰有著同樣的微觀結構，即每個水分子都和其他4個水分子以同等的氫鍵結合，就像是自己伸出兩隻手，同時又握住伸來的另兩隻，最終形成立體的網絡，這種結構被稱為冰“Ice Ih相”。不過在前面的“幾乎”之外，冰還有另外18種微觀結構。
Ice Ih相
但近年來的研究並不完全贊同這種經典的四面體模型。2004年，斯坦福大學 Anders Nilsson 教授領導的課題組在《science》發表了一項研究，他們利用X射線吸收光譜等方法研究了水分子的排列方式，結果表明，無論在室溫還是90℃的高溫，大部分水分子周圍並沒有像預期的那樣結合4個水分子，有80%~85%的水分子周圍比較緊密結合的是2~3個水分子，其中只有2根比較強的氫鍵。
由此他們提出，液態水中，最重要的結構方式應該是類似鎖環或繩圈的結合模式。這個模型向100多年來的經典模型發起了挑戰，引發了廣泛爭議。
繩圈模型
5個月之後，《science》雜誌就刊登了另一篇不同結果的論文，這次是加州大學化學系的 Saykally RJ 教授。他用同樣的方法，對-22℃的過冷水到15℃的液態水進行了研究，最後得出結論，Nilsson 教授觀察到的實際上氫鍵解離時的臨時結構，如果放在更長的時間平均來看，經典模型仍然是合理的。
但Nilsson 教授顯然沒有被完全說服，2008年發表他們更為精細的研究結果，他們認為經典的四面體結構和繩圈結構會快速轉換，但後者更重要。後續有科學家指出在常溫液態水中兩種結構存在的比例差不多，但溫度降低會使繩圈結構轉變為四面體結構，而這種轉換可能與水在4℃左右密度最大的這類反常性質有關。這場爭論仍然在持續，不過科學就是這樣，我們拭目以待。
平常狀態下水分子之間的關係變化可能也不大了，為了吃新的瓜，科學家要給水分子們加把火。他們給水分子們換了環境，比如研究高壓下的水分子。原本1個水分子和4個握手形成氫鍵，壓力增大後，變成了和12個握手！雖然這對於水分子來說有些異樣，但其實這差不多就是一般的液體結構。
和12個水分子形成氫鍵的混亂氫鍵結構模型
但在這些芸芸水分子中吃瓜磕cp，也已經滿足不了一些科學家了，他們要磕這其中一些顯得特別的CP——水分子簇，也就是兩個或兩個以上水分子形成的聚集體。這可能用來解釋水的一些反常性質，比如為什麼不完全遵守熱脹冷縮的規律。
水分子簇最初是在實驗室中特定的條件下發現的，而發現的也不是最簡單的二聚體，是六聚體。科學家使用紅外光譜對液氦中的水分子簇進行了研究，發現了6個水分子形成的環狀三維結構。後來發現的水分子六聚體的三維結構多種多樣，有稜柱狀、籠狀和書頁狀等。七聚體只有籠狀結構，八聚體除了籠狀，還有環狀結構。
稜柱狀六聚體
甚至還發現了由100個水分子和280個水分子形成了一個嵌套的20面體結構。理論模型還預測了有700多個水分子形成的水分子簇，不過目前還沒有實錘。
假想的由100個水分子組成的二十面體水分子簇和基本結構
之所以水分子的關係如此令人迷惑，關鍵就是分子間形成的氫鍵，說強不強、說弱不弱；而氫鍵的強弱，不只與形成氫鍵的兩個當事水分子有關，還會與周圍其他的水分子有關，甚至隔了好幾個水分子依然有影響。
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