水的奇异状态：似乎同时处于固态和液态

水或许看似平淡无奇，但实则远比其表象奇特。日本科学家现已证明，当被限制在狭小空间内时，水分子能够同时表现出固态和液态的特性。

液态水与冰在宏观尺度上的差异始于微观层面。在冰中，分子被锁定在刚性结构中；而在水中，它们基本自由漂浮，不断形成和断裂化学键。

在新论文所描述的这种奇特状态下，分子兼具两者特征。它们如同冰中的分子一样处于固定位置，但又像在液态中那样快速旋转。这种状态被称为预熔态，此前一直难以进行直接研究。

东京理科大学的化学家Makoto Tadokoro表示：“预熔态涉及在加热过程中，完全冻结的冰结构开始融化之前，不完全氢键结合的H₂O的融化。它本质上构成了水的一种新相，其中冻结的H₂O层与缓慢移动的H₂O共存。”

观察这种奇异状态需要复杂的实验装置。首先，所使用的水并非我们日常生活中常见的类型，而是所谓的‘重水’，其中的氢原子被氘取代，氘是氢的一种同位素，其原子核中多了一个中子。

这种“D₂O”随后被限制在极其狭小的空间内，在此会出现各种奇特行为。研究人员制作了带有仅1.6纳米宽的微小亲水性通道的棒状晶体，将重水冻结其中，然后缓慢升温。

最后，他们使用静态固态氘核磁共振（NMR）光谱观察整个过程。结果显示，分子形成了分层的三层结构，每层具有不同类型的运动和相互作用。

预熔态对于我们来说，或许最熟悉的表现是即使温度仍低于冰点，冰表面也会形成的一层薄水膜。但大块冰中的预熔态与极端受限条件下的形成方式有所不同。

已知水在纳米尺度受限的情况下会表现出一些怪异现象。其电学性质可能改变；即使温度接近绝对零度，它也可能‘不结冰’，或者在本应沸腾的温度下冻结成固体。

研究团队称，利用这些特性可能具有实际用途。Tadokoro表示：“通过创造新的冰网络结构，或许有可能储存氢气和甲烷等高能气体，并开发人工天然气水合物等水基材料。”该研究发表于《美国化学会志》。