解開水4°C「最大密度」謎團　交大團隊改寫理化課本

▲水的密度在4°C時，可達到最大值。（圖／達志影像／美聯社）生活中心／綜合報導國立交通大學研究團隊發現水在4°C「最大密度」異常現象的原因，是由於低溫下的「氫鍵網狀結構擴張」所造成，結構擴張則是因爲奈米冰(Nano-ice)的產生所導致。另外，奈米冰於溫度低於10°C時開始生成，所以低於10°C的水嚴格來說不能視爲純液體。這項研究結果預計將會改寫國中理化教科書。

根據《交通大學新聞網》的報導，水作爲液體，仍有許多異常現象尚未被完全理解，其中最廣爲人知的就是「最大密度」的現象。臺灣與日本的合作團隊（由國立交通大學濵口宏夫講座教授領軍）透過在低溫下形成奈米尺寸的微冰晶，爲「最大密度」的現象，做出很好的解釋。

報導也指出，國中的理化課本都有提到，水的密度在4°C時，可達到最大值。這個與熱脹冷縮大不相同的異常現象也解釋，爲什麼冬季湖面結冰，但魚兒仍能在冰面下方的液態湖水中生存的原因。理組的同學更可能進一步學習到，水的密度異常是由於低溫下的「氫鍵網狀結構擴張」所造成，所謂氫鍵指的是水分子之間微弱的作用力。冰的結構是一種立體的網狀結構，因爲間隙多，所以造成冰的密度比水來得小。

交大研究團隊在研究中證明，這樣的網狀結構擴張是因爲奈米冰(Nano-ice)的產生所導致，同時也抑制了原本該增加的液態水密度，最終表現出水在4°C時密度最大的異常現象，奈米冰於溫度低於10°C時開始生成，所以低於10°C的水嚴格來說不能視爲純液體。

▲（右上） 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，紅色（解結構化氫鍵鍵結水)），藍色（結構化氫鍵鍵結水)）與綠色（奈米冰）；（左上）由模擬估算出來的水密度（空心圓）與觀察到的（黑色實線）水密度的溫度依賴性；（下）推測三種水的概念圖，紅色：解結構化氫鍵水，藍色：結構化氫鍵水和綠色：奈米冰。（圖／翻攝自交通大學新聞網）研究團隊更利用拉曼光譜法，測定了-23 到45°C範圍內的140個水樣品，並且得到各個溫度區間的分析結果。結果顯示，在這範圍中有三種形式的水出現，分別是「氫鍵結構鬆散的水」、「氫鍵結構規律排列的水」以及「氫鍵高度規律排列而形成類似冰型態的水」，「類似冰型態的水」實際上就是「奈米冰」。研究團隊經過理論模擬計算後，得到這三種型態水在不同溫度下所佔有的比例，估算出來的最大密度落在4°C左右。所以水在4°C時具有最大密度之謎已經得到解答，預計也將改寫教科書。