既非固態也非液態 科學家找到水新樣貌

水暗藏許多未知祕密。日本科學家將水擠進奈米級通道後，成功觀察到水的特殊隱藏狀態——預融狀態，既保持類似固體的結構又能像液體一樣流動，打破傳統對水的三態認知。

當水被限制在某些蛋白質、礦物或人造奈米材料等極小的空間中，它的行為會與液態水的特性截然不同。不過，想要詳細研究水融化前的狀態，以及受限空間中的動態行為十分困難，即使依靠X射線分析等繞射技術也無法做到。因為這些技術無法捕捉氫原子在皮秒（一兆分之一秒）尺度上的旋轉運動以及單一水分子移動。

日本東京理科大學（Tokyo University of Science）化學系團隊，透過靜態固態氘核磁共振（NMR）光譜技術，成功觀察到水分子融化前的「預融狀態」。「預融狀態」是指水在受限時，彷彿同時處於凍結和融化邊緣，無法簡單的分類為液態或固態。這項研究成果已發表於《美國化學會期刊》。

水的預融狀態，類似固體的結構又能像液體一樣流動，打破傳統對水的認知。圖為水的示意圖。（shutterstock）

研究團隊製作了親水性分子奈米六角形棒狀晶體，內部含有直徑約1.6奈米孔洞，並在孔洞中填充重水（含氘的水）進行觀測。結果顯示，室溫下被限制於奈米孔洞的水分子，形成獨特的三層結構，各層的運動方式與氫鍵相互作用皆不相同，這為多層組織提供了清晰的證據。

此外，這種受限的重水結構，與普通固態冰不同，其扭曲的氫鍵結構出現融化狀態，使水展現出奇特的「預融狀態」。

研究人員為了深入了解「預融狀態」，將晶體從低溫逐漸加熱，使水從凍結狀態轉變為液態。他們透過核磁共振觀察到水的結構出現明顯變化，證實了水達「預融狀態」的相變，並測量出這兩種看似矛盾的狀態。

研究人員發現，重水在溫度183°K~243°K之間進入預融狀態，需要的活化能為48kJ/mol，與固態冰的活化能56kJ/mol相當接近。這意味著水分子的位置雖固定不動，且維持著固態結構，但內部的旋轉運動卻像液態水一樣迅速。

他們表示，這些發現有助於更全面的理解水在極端限制條件下的行為，同時闡明了水的結構與動力學之間的問題。對於理解水和離子如何滲透或穿越有著極窄通道的生物蛋白質、細胞膜非常重要，因為了解這些有望對生物科技、藥物等領域帶來實際的創新。

日本東京理科大學化學系教授真田所（Makoto Tadokoro）解釋，「預融狀態是指在加熱過程中，完全凍結的冰結構開始融化之前，部分氫鍵不完整的水分子率先融化的狀態。這構成了一種新的水相，其中凍結的水分子層和緩慢移動的水分子共存。」

他補充，「透過創造新的冰晶網絡結構，未來或許可能儲存像氫氣和甲烷這類高能氣體，並開發出人工天然氣水合物等以水為基礎的材料。」◇