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撰文 犀牛
前段时间网上的瓜呈聚集性爆发，想必大家放开吃了不少。
科学家也吃瓜，不过和我们守网待瓜不同，他们都是朝着一个方向主动出击、千里追瓜。
水分子之间的关系，就是科学家要追的一个瓜。尽管水是我们再熟悉不过的事物，也是生命的基础，但我们至今还没能完全理解水，其中水分子CP的瓜，也没能吃的特别明白。
水分子之间的关系，是以氢键相互作用来实现的，也因此形成了扑朔迷离的结构。我们眼中无形的水，并非真的无形。
这些结构决定了水一系列反常的特性：水在4℃的时候密度最大，冻成冰后的密度反而比水要小，也正是这个原因，冰封湖面下的游鱼才能安然过冬；水的比热容比其他常见物质的可能都大，升温难、降温也难，所以水体周围的温差就不是很大；水是汞以外表面张力最大的，这对动植物体内的水分和营养运输至关重要。
那是什么样的微观结构赋予了水这些特性的？水分子们是两两结对、三人成行，还是雨露均沾？
经典的模型认为，液态水的微观结构和最常见的冰类似。几乎我们看到的所有冰有着同样的微观结构，即每个水分子都和其他4个水分子以同等的氢键结合，就像是自己伸出两只手，同时又握住伸来的另两只，最终形成立体的网络，这种结构被称为冰“Ice Ih相”。不过在前面的“几乎”之外，冰还有另外18种微观结构。
Ice Ih相
但近年来的研究并不完全赞同这种经典的四面体模型。2004年，斯坦福大学 Anders Nilsson 教授领导的课题组在《science》发表了一项研究，他们利用X射线吸收光谱等方法研究了水分子的排列方式，结果表明，无论在室温还是90℃的高温，大部分水分子周围并没有像预期的那样结合4个水分子，有80%~85%的水分子周围比较紧密结合的是2~3个水分子，其中只有2根比较强的氢键。
由此他们提出，液态水中，最重要的结构方式应该是类似锁环或绳圈的结合模式。这个模型向100多年来的经典模型发起了挑战，引发了广泛争议。
绳圈模型
5个月之后，《science》杂志就刊登了另一篇不同结果的论文，这次是加州大学化学系的 Saykally RJ 教授。他用同样的方法，对-22℃的过冷水到15℃的液态水进行了研究，最后得出结论，Nilsson 教授观察到的实际上氢键解离时的临时结构，如果放在更长的时间平均来看，经典模型仍然是合理的。
但Nilsson 教授显然没有被完全说服，2008年发表他们更为精细的研究结果，他们认为经典的四面体结构和绳圈结构会快速转换，但后者更重要。后续有科学家指出在常温液态水中两种结构存在的比例差不多，但温度降低会使绳圈结构转变为四面体结构，而这种转换可能与水在4℃左右密度最大的这类反常性质有关。这场争论仍然在持续，不过科学就是这样，我们拭目以待。
平常状态下水分子之间的关系变化可能也不大了，为了吃新的瓜，科学家要给水分子们加把火。他们给水分子们换了环境，比如研究高压下的水分子。原本1个水分子和4个握手形成氢键，压力增大后，变成了和12个握手！虽然这对于水分子来说有些异样，但其实这差不多就是一般的液体结构。
和12个水分子形成氢键的混乱氢键结构模型
但在这些芸芸水分子中吃瓜磕cp，也已经满足不了一些科学家了，他们要磕这其中一些显得特别的CP——水分子簇，也就是两个或两个以上水分子形成的聚集体。这可能用来解释水的一些反常性质，比如为什么不完全遵守热胀冷缩的规律。
水分子簇最初是在实验室中特定的条件下发现的，而发现的也不是最简单的二聚体，是六聚体。科学家使用红外光谱对液氦中的水分子簇进行了研究，发现了6个水分子形成的环状三维结构。后来发现的水分子六聚体的三维结构多种多样，有棱柱状、笼状和书页状等。七聚体只有笼状结构，八聚体除了笼状，还有环状结构。
棱柱状六聚体
甚至还发现了由100个水分子和280个水分子形成了一个嵌套的20面体结构。理论模型还预测了有700多个水分子形成的水分子簇，不过目前还没有实锤。
假想的由100个水分子组成的二十面体水分子簇和基本结构
之所以水分子的关系如此令人迷惑，关键就是分子间形成的氢键，说强不强、说弱不弱；而氢键的强弱，不只与形成氢键的两个当事水分子有关，还会与周围其他的水分子有关，甚至隔了好几个水分子依然有影响。
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