知乎05-07: 为什么压强增大, 水熔点降低? 为何热水结冰比冷水快? 电场能使两水杯间形成强韧性浮动水桥?

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知乎-05： 为什么压强增大，水的熔点降低？

压弱H-O键强极化 氢键受损自愈合

【1】复冰现象（Ice Regelation） - 压致准固态的熔点降低。自从1859年法拉第发现用少量0度水可以焊接两块冰后，开尔文勋爵威廉×汤姆斯和兄弟俩用相变潜热解释后再无新说，也无争议。

【2】O—O耦合赋予O:H—O氢键对形变的恢复和O:H断裂的自愈合能力。

【3】声子谱学和单键热力学解析证明，由于O:H-O的非对称和O-O排斥耦合，O:H受压收缩刚化，压致H-O伸长弱化；前者的结合能（～0.1电子伏特）主导冰点，后者主导熔点。理论再生相边界温度-压强曲线得到H-O键能3.97电子伏特。

【相关现象】

【1】载重细线可以切过冰块而后者并不断裂。

【2】2100个大气压降低熔点致-22度极限，但-950大气压提升熔点6.5度。

【3】压致O:H-O极化拓宽冰的禁带宽度使冰变成蓝色。

【4】江河源头来自高寒雪山与冰河交界处的压致复冰。

【5】冷冻水管近-20度才发生爆裂。

参考文献[1-3] 

1. X. Zhang, Y. Huang, P. Sun, X. Liu, Z. Ma, Y. Zhou, J. Zhou, W. Zheng, and C.Q. Sun, Ice Regelation: Hydrogen-bond extraordinary recoverability and water quasisolid-phase-boundary dispersivity. Sci Rep, 5: 13655, (2015).

2. C.Q. Sun, X. Zhang, and W.T. Zheng, Hidden force opposing ice compression. Chem Sci, 3: 1455-1460, (2012).

3. Y.L. Huang, X. Zhang, Z.S. Ma, Y.C. Zhou, W.T. Zheng, J. Zhou, and C.Q. Sun, Hydrogen-bond relaxation dynamics: Resolving mysteries of water ice. Coord Chem Rev, 285: 109-165, (2015).

知乎-06：为何热水结冰比冷水快？

表皮超固态 氢键强记忆

- 与张希/深圳大学共同提供解答

【事实陈述】自公元前350年阿里斯多德（Aristotle）最先发现并于1960年以母潘巴（Mpemba）命名的热水先结冰现象是物理学领域的十大谜题/佯谬/骗局之一。数十种唯象解释众说纷纭，甚至连这一现象是否真正存在，一时难以定论。

【释疑原理】氢键（O:H-O）是水的基本结构和储能单元。H-O键因温升收缩存储能量而其逆过程释放能量；O:H的协同弛豫主导分子间相互运动及能量耗散；水表皮超固态的低密度提升热扩散系数（正比于热导率/定压比热/密度）；热对流速率10-4米/秒甚微可略。

【定量证明】傅立叶热传导方程数值解证明表皮超固态的必要性。只有包含已经证明的表皮密度（3/4标准值），数值解与实测数据才能吻合。实验证明，H-O释放能量速率与其初始存储（热变形）量正相关。热源-冷库界面必须严格非绝热。其它诸如杂质，挥发，过冷，对流等贡献均可忽略。

【结论拓展】

【1】  孤对电子的存在和O:H-O的非对称强耦合特性决定逆过程可能发生但更难控制。

【2】  这种现象只能在氢键存在以确保升温储能和表皮高热扩散率的系统中发生。

【3】  氢键能量的任一“存储-释放-传导-耗散”环节不可或缺；更不可以偏代全。

【4】  任何回避O:H-O受激协同弛豫和缺乏足够的有关能量输运的定量证据而轻易作出的直觉论断，似乎有欠科学精神。

参考文献[1-3]

1. X. Zhang, Y. Huang, Z. Ma, Y. Zhou, J. Zhou, W. Zheng, Q. Jiang, and C.Q. Sun, Hydrogen-bond memory and water-skin supersolidity resolving the Mpemba paradox. PCCP, 16(42): 22995-23002, (2014).

2. 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).

3. C.Q. Sun, X. Zhang, J. Zhou, Y. Huang, Y. Zhou, and W. Zheng, Density, Elasticity, and Stability Anomalies of Water Molecules with Fewer than Four Neighbors. J Phys Chem Lett, 4: 2565-2570, (2013).

知乎-07：为什么电场可使两水杯间形成强韧性浮动水桥?

强极化高韧性 类胶准固态

【事实】室温电致水桥具有强韧性和高热稳定性，但盐溶液会使其失稳。自1893年阿姆斯壮发现水桥以来，人们曾用电介质极化，表皮张力，麦克斯韦电动力学观点解说，但底气不足。

【原理】与溶盐离子效果相同平行电场极化重排并拉伸水分子偶极矩，导致O:H非键伸长变弱，H—O共价键缩短变强。

【定量解】实验测量在10^6 V/m 电场中，H—O声子从 w = 3100 蓝移至3500 cm-1。基于ћwx = kQDx 爱因斯坦关系，声子频移通过调制O:H-O键分段比热的德拜温度而拓展原在-15～4度的准固态相边界，故室温下水桥呈类胶状准固态。分子低配位诱导的表皮超固态进一步提高水桥的韧性和热稳定性。

【相关拓展】

【1】盐溶液中的离子电场与外加平行电场反向叠加削弱彼此而使水桥失稳。

【2】土壤颗粒的表面的电场与盐水离子电场相互弱化，盐水易于浸润土壤。

参考文献[1, 2]

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.