本书展示关于冰水研究的最新进展和系统认知，包括氢键非对称协同弛豫与非键电子极化理论、电子与声子计量谱学分析和数值计算结果、破解系列反常物性悬疑；同时也以科普的形式介绍水科学研究的历史、背景、现状、展望。 内容归纳为水的结构、相图、氢键非对称耦合振子对模型、局域超短程作用势、分段比热差异、非键电子极化，以及氢键在力场，温场、电场、磁场、水合和分子配位场激励下分段协同弛豫。建立了各种物理性能与键参数之间的依赖关系以及这些参数的受激演化规律。新的尝试使我们能够系统地破解目前能够观测到的如浮冰、复冰、超润滑、表皮张力、热水速冷、纳米水滴、超微汽泡、电致水桥，电致相变、压制相变、酸碱盐水合溶液相变动力学等悬疑。此外，建立了氢键和分子空间取向的基本规则和强涨落单晶等概念。同时，也探讨了酸溶液中的H?H反氢键点致脆、碱溶液中O:?:O超氢键点压缩以及盐溶液中离子的点极化行为，并证明了固-液之间具有冷膨胀特征的准固态和由低配位和电场极化引起的超固态的存在。最后，总结了氢键和水在外场作用下的60条行为准则。研究结果可以拓展到对含有孤对电子或氢键系统以及分子晶体的认知。 本书可供物理、化学、生物、胶体与溶液等相关领域的科研人员参考，也可作为相关专业本科生和研究生的教学参考书。

前辅文
第1章 神奇的水:机遇与挑战
  1.1 冰水的重要性
  1.2 冰水相图
  1.3 反常物性略观
  1.4 挑战与机遇
  1.5 内容概览
  参考文献
第2章 冰水构序规则：禁戒与守恒
  2.1 悬疑组一：冰水的构序规则
  2.2 释疑原理：分子取向、2N与O∶H—O构型守恒定则
  2.3 历史溯源
   2.3.1 水分子结构的经典模型
   2.3.2 分子间的相互作用
   2.3.3 质子的量子隧穿与位置失措
  2.4 冰水的构序规则
   2.4.1 质子和孤对数目2N守恒
   2.4.2 成键电子和非键孤对电子
   2.4.3 单分子的C2v对称配位结构
   2.4.4 2H2O原胞：空间取向规则
   2.4.5 O∶H—O键构型守恒及质子隧穿能量禁戒
  2.5 解析实验证据
   2.5.1 分子团簇的扫描隧道图谱
   2.5.2 质子的核量子效应
   2.5.3 质量密度-几何结构-分段键长的相关性
   2.5.4 水结构的唯一性和可调性
  2.6 小结
  参考文献
第3章 氢键协同弛豫: 非对称耦合振子对
  3.1 悬疑组二：何为氢键？
  3.2 释疑原理：氢键非对称耦合振子对
  3.3 历史溯源
   3.3.1 O∶H非键或氢键？
   3.3.2 鲍林的失措规则
   3.3.3 国际标准定义
  3.4 解析实验证明
   3.4.1 氢键的基本准则
   3.4.2 氢键分段耦合的必要性
   3.4.3 氢键的协同弛豫
   3.4.4 氢键分段的力学响应差异
   3.4.5 氢键分段对配位环境的响应
   3.4.6 氢键分段比热：多温区分段响应
   3.4.7 电磁激发和同位素效应
   3.4.8 氢键的协同弛豫
  3.5 小结
  参考文献
第4章 冰水相图：氢键弛豫表述
  4.1 悬疑组三：相图与氢键弛豫关联
  4.2 释疑原理：氢键受激弛豫动力学
  4.3 历史溯源
  4.4 解析实验证明: 单键热力学
   4.4.1 相变潜能的单键表述
   4.4.2 氢键压致弛豫
   4.4.3 氢键热致弛豫
   4.4.4 相边界：氢键的突变弛豫
  4.5 小结
  参考文献
第5章 氢键作用势：非对称超短程强耦合
  5.1 悬疑组四：氢键的势能函数
  5.2 释疑原理：非对称、超短程、强耦合O∶H—O氢键
  5.3 历史溯源
  5.4 拉格朗日耦合振子对力学
   5.4.1 耦合振子对的拉格朗日方程
   5.4.2 拉普拉斯逆变换解析解
  5.5 氢键受激弛豫的势能路径
   5.5.1 压致氢键弛豫
   5.5.2 配位分辨氢键弛豫
  5.6 密度-键长-振频-键能的普适关系
  5.7 小结
  参考文献
第6章 压致氢键对称：准固态相边界内敛
  6.1 悬疑组五：压致O∶H—O长度对称和复冰现象
  6.2 释疑原理：压致氢键协同弛豫和准固态相边界内敛
  6.3 历史溯源
   6.3.1 复冰现象
   6.3.2 法拉第的表皮准液态说
   6.3.3 压致质子隧穿与氢键分段长度对称弛豫
  6.4 解析实验证明
   6.4.1 氢键分段长度对称化
   6.4.2 压致声子协同频移
   6.4.3 准固态相边界色散
   6.4.4 氢键的自愈合特性
   6.4.5 复冰现象的物理机制
   6.4.6 冰点、熔点、露点、沸点
   6.4.7 极化诱导带隙展宽
  6.5 复冰实例
   6.5.1 冰块的线切割而不断
   6.5.2 冰川：江河源头
  6.6 小结
  附录 专题新闻：拂开冰的神秘面纱
  参考文献
第7章 温驱密度振荡:氢键分段比热与准固态
  7.1 悬疑组六：浮冰与温驱四温段密度振荡
  7.2 释疑原理：O∶H—O键分段比热差异
  7.3 历史溯源
   7.3.1 伽利略-哥伦布的世纪辩论
   7.3.2 持续争辩焦点
   7.3.3 思维拓展
  7.4 解析实验证明
   7.4.1 浮力定律和密度差异
   7.4.2 准固态氢键反常弛豫
   7.4.3 氢键弛豫与分子的涨落序度
   7.4.4 空间位置分辨氢键弛豫
   7.4.5 △E1s与 △ωH的关联
   7.4.6 温致非晶态声子谱的逆弛豫
  7.5 常见范例
   7.5.1 寒带两栖动物的生存
   7.5.2 岩石冻融温滞回线：三相区氢键受阻弛豫
   7.5.3 岩石风化：冷胀融化
   7.5.4 农田冬灌：冻致膨胀
   7.5.5 全球变暖：冰川融化
  7.6 小结
  参考文献
第8章 低配位超固态：团簇与超微气泡
  8.1 悬疑组七：低配位体系的超常物性
  8.2 释疑原理：氢键自发弛豫与电子极化
  8.3 分子低配位的奇异效应：纳米液滴与气泡
   8.3.1 超微气泡的形成与性能
   8.3.2 表观过冷和过热的本质
   8.3.3 低配位极化表皮超固态
   8.3.4 准固态相边界拓展与内敛
  8.4 解析实验证明
   8.4.1 BOLS-NEP理论拓展
   8.4.2 (H2O)N团簇
   8.4.3 冰水表皮
   8.4.4 超微气泡
  8.5 准固态与超固态的差异
  8.6 小结
  参考文献
第9章 超润滑与量子摩擦：软声子弹性与静电斥力
  9.1 悬疑组八：超润滑与量子摩擦
  9.2 释疑原理：软声子弹性和偶极子静电排斥
  9.3 历史溯源
   9.3.1 冰的超润滑奇观
   9.3.2 准液态表皮润滑剂假说
   9.3.3 准液态表皮的形成机制
   9.3.4 低配位体系超固态
  9.4 解析实验证明
   9.4.1 低配位H—O键收缩与能量钉扎
   9.4.2 表皮H—O键的超常热稳定性
   9.4.3 极化诱导的静电排斥和弹性
   9.4.4 软声子和量子摩擦
  9.5 固态接触近零摩擦：电悬浮与超弹性
   9.5.1 4He超固态：高弹性和静电排斥性
   9.5.2 固-固界面超润滑：极化与弹性
   9.5.3 量子摩擦：静电极性和同位素效应
   9.5.4 非冰固态表皮极化主导的自润滑
  9.6 液态润滑剂
   9.6.1 酸溶液：HH反氢键
   9.6.2 甘油和酒精：分子间作用
  9.7 小结
  附录 专题新闻：冰为何如此光滑？
  参考文献
第10章 水表皮超固态：疏水与弹性
  10.1 悬疑组九：水表皮的超常应力和热稳定性
  10.2 释疑原理：表皮超固态
  10.3 历史溯源
   10.3.1 水表皮的应力
   10.3.2 关注焦点
   10.3.3 亲疏水界面的人工调制
   10.3.4 亲疏水调制与接触角测量
  10.4 解析实验证明
   10.4.1 局域键长-声子频率-结合能
   10.4.2 疏水性：静电排斥与软声子弹性
   10.4.3 表皮曲率分辨Tm和TN
   10.4.4 表皮超固态：弹性和疏水性
   10.4.5 温控表皮应力：德拜温度与O∶H结合能
   10.4.6 H—O键的振动频率及其声子寿命
   10.4.7 超固态表皮的刚度
  10.5 超疏水、超润滑、超流性和超固态
   10.5.1 4S的共性
   10.5.2 BOLS-NEP转换机制
   10.5.3 亲水-疏水性的转变
   10.5.4 微通道：电偶极层的形成
  10.6 小结
  参考文献
第11章 热水速冷：氢键记忆与表皮超固态
  11.1 悬疑组十：为什么热水比冷水降温快？
  11.2 释疑原理：氢键的记忆效应和表皮超固态
  11.3 历史溯源
   11.3.1 姆潘巴佯谬
   11.3.2 唯象解释
   11.3.3 氢键分段协同弛豫论
  11.4 数值解：表皮超固态
   11.4.1 傅里叶流体热传导方程
   11.4.2 对流、扩散和辐射
  11.5 实验解: O∶H—O氢键的记忆效应
   11.5.1 O∶H—O的弛豫线速率：热动量
   11.5.2 弛豫时间与初始能量存储状态
  11.6 能量“存储—释放—传导—耗散”循环动力学
   11.6.1 热源与路径：能量释放和传导
   11.6.2 热源—冷库系统：能量的非绝热耗散
   11.6.3 其他释疑方案：过冷、杂质与蒸发
  11.7 小结
  附录 专题新闻： 科学家解释热水为什么比冷水结冰快
  参考文献
第12章 酸碱盐水合动力学：反氢键与超氢键
  12.1 悬疑组十一：酸碱盐水溶液的功能与机理
  12.2 释疑原理：水合氢键的弛豫与极化
  12.3 历史溯源
   12.3.1 酸碱水解
   12.3.2 霍夫梅斯特序列
   12.3.3 盐溶液现象与模型
  12.4 解析实验证明
   12.4.1 酸碱盐水合的主控因素
   12.4.2 盐水溶液：离子点极化
   12.4.3 酸碱溶液：反氢键和超氢键
   12.4.4 水合离子的量子极化
   12.4.5 酸水合动力学——氢键网络的量子致脆
   12.4.6 碱水合动力学——氢键网络的量子压缩
   12.4.7 盐离子的极化和反氢键的退极化
   12.4.8 氢键的分段长度和能量估算
   12.4.9 酸碱盐水解和水合动力学
  12.5 小结
  参考文献
第13章 水合团簇：声子寿命与黏滞性
  13.1 悬疑组十二：水合团簇声子的丰度-刚度-序度-寿命
  13.2 释疑原理：量子致脆、量子压缩与量子极化
  13.3 H—O声子寿命与振频的关联
  13.4 声子寿命与分子扩散
  13.5 氢键极化与表皮张力
  13.6 表皮张力与溶液黏滞性
  13.7 拓展范例
   13.7.1 火星上的氯盐溶液
   13.7.2 超固态的应用范例
  13.8 小结
  参考文献
第14章 水与水合溶液的压致液-固转变
  14.1 悬疑组十三：溶液相变临界条件的离子调制
  14.2 释疑原理：准固态相边界的受激色散
  14.3 解析实验证明：单键热力学
   14.3.1 相变潜能的单键表述
   14.3.2 压致结冰
   14.3.3 瞬时冲量和离子调制
   14.3.4 溶质种类分辨的临界温度
   14.3.5 溶-凝胶转变耗时与离子种类和浓度的关系
  14.4 小结
  参考文献
第15章 电致准固态相边界色散
  15.1 悬疑组十四：水在平行电场作用下的行为
  15.2 释疑原理：氢键在均匀电场中的弛豫极化
  15.3 历史溯源：阿姆斯壮效应
  15.4 水的定向电极化奇观
   15.4.1 泰勒锥电致喷雾
   15.4.2 准固态边界扩展：电致熔凝
   15.4.3 电致水桥
   15.4.4 经典理论
  15.5 解析实验证明
   15.5.1 氢键的电致弛豫与极化
   15.5.2 电致水滴凝固：准固态相边界色散
   15.5.3 电场中的肥皂膜
   15.5.4 实验验证：电致拉曼频移
  15.6 土壤的盐溶液浸润
  15.7 小结
  参考文献
第16章 相关悬疑
  16.1 多场耦合效应
   16.1.1 热激发与分子低配位
   16.1.2 机械压强与分子低配位
   16.1.3 氢键的超低压缩率与极化
   16.1.4 电场极化与分子低配位
  16.2 同位素的约化质量效应
  16.3 能量交换：微扰的长程响应
   16.3.1 受扰冰晶类型
   16.3.2 压致溶液相分离
   16.3.3 结冰排异除杂
  16.4 静电感应与极化效应
   16.4.1 开尔文滴水起电机
   16.4.2 云与雾：团簇外壳极化
  16.5 电磁辐射与交流电场极化
   16.5.1 运动偶极子在洛伦兹力场中的行为
   16.5.2 水滴在交流电场下的跳跃
  16.6 反常热膨胀——多元比热耦合
  16.7 介电弛豫：极化
  16.8 亲水界面：第四相
  16.9 莱顿弗罗斯特效应
  16.10 聚合水：电致极化与低配位效应
   16.10.1 聚合水乌龙
   16.10.2 聚合水溶液的密度、稳定性和黏性
  16.11 水与细胞和DNA的相互作用
   16.11.1 水与细胞混合物的声子谱
   16.11.2 水DNA溶液的中子衍射
  16.12 X∶H—O型氢键压致弛豫
  16.13 液滴凝固结晶动力学
   16.13.1 结冰形态 ：三相线与液滴形变
   16.13.2 NaCl溶液：准固态相边界色散
   16.13.3 基板材料热导率效应
  16.14 温度-压强-配位耦合对受限冰的准固态相边界调制
   16.14.1 准固态相边界的多场调制
   16.14.2 受限准固态相变
  16.15 氢键与超氢键：炸药分子晶体的储能燃爆反应
  16.16 小结
  参考文献
第17章 理论实验处理方法
  17.1 数值计算方法
   17.1.1 量子计算
   17.1.2 表皮应力与黏性
   17.1.3 拉格朗日力学表征O∶H—O氢键势能演化
   17.1.4 傅里叶流体热力学
  17.2 实验技术
   17.2.1 X射线与中子衍射
   17.2.2 电子发射光谱
   17.2.3 声子与介电光谱
  17.3 化学键-电子-声子-性能关联性
   17.3.1 键能-键长-O 1s能级偏移的关联性
   17.3.2 杨氏模量-声子频率-O 1s能级频移的关联性
   17.3.3 相变温度与键能
  17.4 小结
  参考文献
第18章 氢键规则六十条
  18.1 氢键协同弛豫及守恒规则
  18.2 冰水的结构与相图：氢键表述
  18.3 氢键分段的协同性
  18.4 氢键分段比热差异与单键热力学
  18.5 氢键的热激弛豫：准固态
  18.6 氢键的压致弛豫：分段长度对称化
  18.7 氢键的低配位效应：超固态
  18.8 接触界面：润滑和浸润
  18.9 溶质离子分辨霍夫梅斯特效应
  18.10 酸碱盐的水解和水合动力学
  18.11 平行电场极化：准固态相边界色散
  18.12 电磁场：运动偶极子的洛伦兹力受扰行为
  18.13 能量吸收、发射、传导和耗散
  18.14 研究方法的优势与局限性
  18.15 小结
  参考文献
索引

冰、水与溶液研究中的关注焦点、传统认知及氢键协同弛豫理论研究进展

孙长庆，辽宁葫芦岛人。澳大利亚默多克大学1997年理学博士。现任职于新加坡南洋理工大学。主攻超常配位键和非键电子学。建立了多场键弛豫和氢键耦合振子对理论，并拥有多项计量谱学专利。著有《化学键的弛豫》《水合反应动力学》《电子声子计量谱学》等中英文专著，并在《化学评论》等期刊发表了20余篇专述。曾获夸瑞兹密一等奖和首届南洋科技创新奖。

黄勇力，湖南常德人。湘潭大学2013年工学博士。现任职于湘潭大学。研究兴趣为物理力学、氢键耦合振子对作用势、氢键受激弛豫振动力学、水合反应等。合著《化学键的弛豫》《水合反应动力学》《电子声子计量谱学》和英文版《材料的宏微观力学性能》。

张希，河南洛阳人。新加坡南洋理工大学2013年理学博士。现任职于深圳大学。研究兴趣为表面界面力学、微纳光电传感、石墨烯纳米带边界量子钉扎与极化、氢键受激弛豫的量子计算等。曾获深圳市海外高层次人才计划奖励。

核心亮点：

• 冰水基础科学研究的新进展和发展趋势
• 悬疑的历史背景、理论学说和量化通解
• 氢键非对称耦合振子受激协同弛豫原理
• 超常自适应、自愈合、高敏感特性规则