知乎01-04: 水4度时密度为何最大? 结冰后为啥会膨胀, 且是滑的?
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知乎-01：
什么是氢键弛豫？
氢键(X:H-Y) (X, Y = N, O, F)是分子间(X:H)和分子内(H-Y)作用的耦合而不是两段其一。X 和Y原子在反应时发生sp3电子轨道杂化而产生孤对电子“：”。由于X和Y上的电子间的排斥，在外力作用下X:H-Y通过分段协同弛豫从一个稳态向另一稳态渡过。
X:H-Y可以近似为短程，非对称，强耦合振子对。 O:H-O的分段差异和O-O键的耦合决定冰水和溶液的反常物性，包括浮冰，复冰，润滑，热水速冷等。
X和Y总是沿着X:H-Y连线朝同一方向以不同的量发生移动。而且X:H 的移动量总是大于H-Y的移动量。
参考文献：
【1】孙长庆, 黄勇力, and 张希, 水规则六十条. 材料基因 2. 2018, 北京: 高等教育出版社.
【2】 C.Q. Sun and Y. Sun, The Attribute of Water: Single Notion, Multiple Myths. Springer Ser Chem Phys 113. 2016: Springer-Verlag. 494.p
【3】 Huang, Y.L., et al., Hydrogen-bond relaxation dynamics: Resolving mysteries of water ice. Coordination Chemistry Reviews, 2015. 285: p. 109-165.
评论 1：二生三，三生万物；两种原子，三种键合。
评论 2：孤对电子 ～ 生命之源，万物之本。
知乎-02：
水结冰后体积为什么会膨胀？- 准固态
【观测事实】密度(温度) 曲线显示四温区震荡：
0.96(100) >> 1.0(4) >> 0.92(-15) >> 0.94(-170) >>基本恒定
【计算与实验】证据显示：
【1】氢键(O:H-O)两分段有各自的比热。冰水的的比热是它们的叠加 - 把全温区分成四温段： 液态，固态、超冷态、和液-固态间的准固态。
【2】 由于O:H-O键分段比热的差异和O-O间的耦合作用，变温时，相对比热较低的一段服从常规热胀冷缩规律，而另一段反之，导致在准固态温区内，H-O受冷收缩O:H受冷膨胀而且后者远大于前者使O:H-O伸长。故在结冰时体积膨胀。
【3】在液态和固态温区，冰水表现为常规的热胀冷缩，而微观过程与【2】相反。
【4】在超冷温区 <=100K, 因为两段比热近零，所以O:H-O长度对温度不敏感，无明显体积变化。
【5】准固态相边界是密度极值点，且靠近冰点和熔点；O:H结合能主导冰点，H-O键能主导熔点；相边界可以通过改变分子配位数，电场，水合（食盐和糖等）外界参量调制，故出现过冷和过热。
参考文献：
【1】Sun, C.Q., et al., Density and phonon-stiffness anomalies of water and ice in the full temperature range. J Phys Chem Lett 2013. 4: p. 3238-3244.
【2】 Zhang, X., et al., Ice Regelation: Hydrogen-bond extraordinary recoverability and water quasisolid-phase-boundary dispersivity. Sci Rep 2015. 5: p. 13655.
【3】Huang, Y.L., et al., Hydrogen-bond relaxation dynamics: Resolving mysteries of water ice. Coordination Chemistry Reviews, 2015. 285: p. 109-165.
评论： 任何脱离氢键弛豫解释冰水反常物性都难免有臆断之嫌。
水的第四第五态：
准固态主导浮冰，超固态主导冰润滑。
第四态】由于氢键的O:H和H—O分段比热的差异，液态与固态之间存在一个具有冷胀热缩和相边界可调特性的准固态；
【第五态】电场极化或键序降低导致氢键分段协同弛豫且通过极化使低配位水分子形成具有超低密度、强极化、高弹性、高热稳定性的超固态。
所以， 除传统三相外，水的准固主导浮冰，超固态主导冰润滑，水桥和水合团簇行为。 【1-3】
【1】Sun, C.Q. and Y. Sun, The Attribute of Water: Single Notion, Multiple Myths. Springer Ser Chem Phys 113. 2016: Springer-Verlag. 494.
【2】 孙长庆, 黄勇力, and 张希, 水规则六十条. 材料基因 2. 2018, 北京: 高等教育出版社.
【3】 Zhang, X., et al., From ice supperlubricity to quantum friction: Electronic repulsivity and phononic elasticity. Friction, 2015. 3(4): p. 294-319.
知乎-03：
冰为什么是滑的？
软声子高弹性，极化强排斥
- 低配位，强极化，超固态，低冰点，高熔点，软声子，高弹性， 电排斥
【事实陈述】自1859年法拉第最先提出冰的表面有一层液态或准液态润滑剂以来，对此问题的解答始终没有定论。目前流行的压融说和摩擦生热说不仅解释不了超低温下的润滑而且对表皮准液态的成因也无能为力。
【释疑原理】表皮水分子的低配位使氢键(O:H-O)的H-O段自发收缩增强。但由于O-O的排斥耦合使O:H伸长变弱并伴随强极化，导致O-O间距增大8%， 表层密度降低。H-O键能决定熔点O:H结合能决定冰点。此系列原因不仅拓展准固（液）态的相边界（0，-15度）而且导致超固态 – 低密度、低冰点、高熔点、软声子、高弹性、电排斥、疏水、润滑。
【定量证明】实验和理论均已证明，O:H振动软声子的自适应性（变形自恢复）和极化导致的静电层是冰的表皮超润滑的根源。在表层与接触物之间的静电排斥可以托起接触物，就像电磁力托起磁悬浮列车，空气托起气垫船那样，能够大幅度地减少摩擦阻力。
【结论展望】原子和分子低配位不仅彻底解决了“冰为什这么滑”的问题，而且可以拓展到其它领域，如表面、缺陷、纳米结构，端态，边界态等的键电子致密钉扎和非键电子极化。
参考文献[1-3]
1. X. Zhang, Y. Huang, Z. Ma, L. Niu, and C.Q. Sun, From ice supperlubricity to quantum friction: Electronic repulsivity and phononic elasticity. Friction, 3(4): 294-319, (2015).
2. X. Zhang, Y. Huang, Z. Ma, Y. Zhou, W. Zheng, J. Zhou, and C.Q. Sun, A common supersolid skin covering both water and ice. PCCP, 16(42): 22987-22994, (2014).
3. X. Zhang, X. Liu, Y. Zhong, Z. Zhou, Y. Huang, and C.Q. Sun, Nanobubble Skin Supersolidity. Langmuir, 32(43): 11321-11327, (2016).
知乎-04：
为什么4度时水的密度最大？
- 恰是氢键分段比热相等时
- 液态/准固态可调相边界 – 氢键（O:H-O）分段比热交点
【1】水在4度和-15度时达到密度极值，分别为1.0 和0.92 g/mm3。其原因未知无法争论。
【2】在4度和-15度氢键（O:H-O）的分段比热相等。以此界定具有冷胀热缩特征的准固态温区。
【3】变温拉曼谱和量子计算证明，在4度液/准固态相边界，O:H由冷致收缩转为冷致膨胀； 而H-O由冷致膨胀转为冷致收缩；在-15度准固态/固态相边界，O:H-O分段冷致弛豫反之。
【延伸】
【1】 在准固态温区密度变温曲线无任何突变，故建议4度为熔点而-15度对应冰点。
【2】 准固态相边界可调：压致熔点降低冰点和沸点提升。
【3】 瞬态冲量微扰提升冰点使过冷水结冰（冰箱取出瓶装过冷水轻轻敲击）。
【4】 瞬态冲量微扰提升沸点使过热水猛噗沸腾（向过热水撒糖）。
参考文献 [1-3]
1. C.Q. Sun, X. Zhang, X. Fu, W. Zheng, J.-l. Kuo, Y. Zhou, Z. Shen, and J. Zhou, Density and phonon-stiffness anomalies of water and ice in the full temperature range. J Phys Chem Lett, 4: 3238-3244, (2013).
2. X. Zhang, P. Sun, Y. Huang, T. Yan, Z. Ma, X. Liu, B. Zou, J. Zhou, W. Zheng, and C.Q. Sun, Water’s phase diagram: from the notion of thermodynamics to hydrogen-bond cooperativity. Prog Solid State Chem, 43: 71-81, (2015).
3. 孙长庆, 黄勇力, 张希, 水规则六十条. 材料基因 2. 2018, 北京: 高等教育出版社.