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来源：格致论道讲坛

水是各人司空见惯的一种物质，但是对科学家而言，水可以说是自然界最庞大的物质之一。到目前为止，仍然需要更多的科学研究去探索水的性子，以是水对于我们来说是一个非常生疏的世界。

希奇的水

水可以说无处不在，在地上、地下，甚至在外太空、外星球都能找到水的踪迹。但现实上水非常希奇，为什么这么说呢？

第一个例子我想带各人去南极看一看。

南极的气温非常低，许多水会结成冰。但是，在云云冷的地方仍然有许多鱼在自由地生存着。

为什么在这么低的温度下鱼不会结冰呢？

颠末科学研究发明，在这些鱼的血管里有一种叫抗冻卵白的物质，它可以抑制水酿成冰。

这是自然界中一个非常有意思的征象，但一直不为各人所知。

现实上，水另有许多其它的非常希奇的性子。

好比说，大部门物质从液体酿成固体的时候，它的体积会减小。但是水结成冰的时候，它的体积反而会变大，密度会减小，而且水在4℃的时候密度最大。

这个征象跟各人的知识是相反的。

另外，如果我们来做一个实验，把一瓶热水和一瓶冷水同时放进冰箱，你会发明热水比冷水更快结冰。

这也是非常希奇的征象。

别的，另有关于冷冻人、冷冻器官、器官冷藏的研究，现实上跟适才我们谈到的鱼为什么不结冰是类似的征象。

其中很紧张的一个课题是，冷冻人体时必须要包管体内的水不能结冰。水一旦结冰，有可能酿成小的冰碴，会刺破细胞膜，从而使器官失活。

简朴地从水结冰如许一个征象来看，事实上有许多物理和化学历程不为各人所知，也需要用更深入的科学手段去探讨这些问题。

有人总结过，水大概有70多条反常特性。

除了适才讲的热缩冷胀，即密度的反常，另有许多如高比热、高熔点、热导、张力等特性。

这些性子都还处于研究之中，各人还不能完全相识它内在的机制到底是什么。

因此，《科学》在创刊125周年的时候，提出了本世纪最具挑战性的125个科学问题，其中一个问题就是“水的结构是什么”，这说明水的结构现实上是相识水的性子最要害的一环。

如果我们能从微观上相识清晰水的结构的话，我们就能更好地相识水的许多特性，解开水的世纪难题。

水的量子效应

各人都知道，水是由水分子组成的，那么水分子长什么样呢？

就像这个图内里画的一样。

实在水分子很简朴，就是两个氢加上一个氧，形成了一个简朴的三原子的分子。这是我们都熟知的化学组成。

但是，四年前我们在《科学》杂志上发表的一篇文章中提到，水的结构实在并不是这么简朴，水具有一些量子效应。

什么是量子效应呢？

在经典的图像中，简朴的水就是两个氢和一个氧，纵然给它加热、加一些扰动，它照旧这种构型。

但是，如果用更准确的手段分析，我们会发明氢原子在空间中有一定的位置涨落，也就是说它没有确定的位置，而是有一些概率上的漫衍。

氢原子的空间涨落征象会对水的结构和性子产生非常大的影响，包括氢键相互作用，从而使水展现出一些非常反常的特性。

举一个例子来看，如果我们不思量氢原子在空间上的量子效应，那么我们体内的许多化学反应可能根本就不会产生，或者说至少会减慢1000倍以上。

以是，如果没有水的量子效应，我们人可能就不存在，全部的生物也会不存在。

在我们这个事情出来之后，有许多商家推出了一些“量子水”，据说是对我们康健有益的一种水。

但是我要说的是，此量子可能非彼量子，各人手里拿的每一瓶水可以说都是量子水，由于量子效应是水自己的一种属性，以是这是一个观点炒作征象。

单个水都这么庞大了，那么水和水放在一块儿，它的结构是不是越发庞大呢？

水和水之间存在着一种相互作用，这种相互作用叫氢键。

什么是氢键？

水内里的氧带负电、氢带正电，把水分子放在一块的时候，带正电的氢和带负电的氧会产生相互吸引作用，这个相互吸引作用就是氢键。

好比把一个水分子看成是一小我私人，就像人和人手拉手，就酿成了水的网络结构。

氢键有许多很希奇的特性。好比，它有协同性，如果我和另一小我私人的牵手状态产生变化，那么会影响周围一堆人的状态也产生变化。

氢键另有机动性。如果我把手放开，那么我会很容易地和另外一小我私人牵手，以是它有一个非常希奇、非常机动的特性。

另外， 氢键另有偏向性。氢键总是氢指向氧才能成键，如果氢指向氢、或者氧指向氧，就不会形成这个键。

这三种特性导致水会形成非常庞大的网络结构，称为氢键网络。

如果我们能搞清晰氢键网络的结构，那么很有可能完全解开水的一些反常特性的秘密，甚至能去操控水的性子。

水的三种物相

各人都熟知水有三种物相。

在低温的时候它是固体、是冰相，冰相内里的水分子都规行矩步地排在自己的位置上，形成一个规则的、有序的网络结构。

如果把冰稍微升高一点温度，它就会融化，融化之后这些水分子就待不住了，会跑到别的地方去，甚至还会跑到间隙位置，以是就酿成无序的液态结构。

在液态的情况下，水分子是没有任何纪律、没有任何周期性、完全无序的状态。

如果再进一步升温，水分子和水分子之间就会渐渐阔别，它的键会被打断，末了酿成没有任何相互作用的气态。

在水的三个物相中，冰相虽然说相对简朴，但迄今为止，各人发明大概存在18种冰相。在差别的条件下，它展现出差别的结构。

液相可以说是目前为止水内里最庞大的一个相，没有任何的理论和实验可以或许回答液相的结构到底是什么。

在已往几十年间，有若干的实验和理论试图去解答这个问题，提出了许多的模子，好比四面体模子、拼成链状的绳圈模子、完全无规的杂乱模子，但是没有一种模子可以或许给出满足的答案。

以是说，到现在为止液态水的结构还在猛烈的争论之中。

似乎商家已经解决了这个问题，他们已经知道液态水的结构到底是什么，或者是说可以或许通过某种手段让液态水里的水分子聚成小团，然后让这个小团更容易通过我们的细胞膜被人体吸收，促进新陈代谢。

但很遗憾的是，这种征象或者说这种声称目前仍没有科学的支持，有待于进一步证实。

那么我们怎么办？

最直接的措施是看到水分子，可以或许知道水分子在什么地方，它怎么分列成网络结构，它有几个水分子在这个网络内里，这就是我研究水的初志。

第一次看到单个水分子的实空间图像

为了看到水分子，我们不能用各人常见的光学显微镜，由于它的辨别率远远不敷，以是这里要先容一下扫描隧道显微镜，简称是STM。

扫描隧道显微镜由两位瑞士的科学家Bining和Rohrer在1981年发明，他们因此得到了1986年的诺贝尔物理学奖。他们用这个显微镜可以看到外貌的原子结构，这在其时来说是非常了不得的一个成绩。

为什么STM能看到原子？固然不是用眼睛直接去看，更形象地说应该是感知原子，像瞽者摸象一样去摸原子。

真实的情况下，我们并不是特长去摸原子，而是拿一根非常细、非常尖锐的针尖去靠近原子，当针尖和原子靠得足够近的时候，两者之间会有非常局域的隧道电流产生。

在外貌举行扫描的时候，根据电流的变化就能把外貌的原子升沉成像出来。以是说，现实上我们并不是真正看到原子，而是把它感知出来。

STM事情原理

许多人问我，你需要何等尖的针尖才能干这件事情？由于你要看到的是原子，而不是一个平凡的物质。

现实上算了一下，针尖最尖端的直径应该是头发丝的千分之一，这个巨细在光学显微镜下是完全看不见的。

不仅云云，纵然你有这么小直径的针尖，仍然不能包管能看到原子，必须要颠末很庞大的手段，在针尖的末端修饰一些单个原子或修饰单个分子，如许才能看到非常高辨别的图像。

打一个形象的比喻，针尖就好像是龙卷风后面大块的云，但恰恰最尖端的一些原子和分子才是得到高辨别率图像的最紧张因素。这个图像非常贴切地反应出针尖的真正形状。

这是我们实验室的两台扫描隧道显微镜，或者称为扫描探针显微镜。

为了看到水分子，一般的扫描隧道显微镜还不可，我们必须要把它降到零下260多度，这已经非常靠近绝对零度。

除了低温以外，我们还必须把STM放在一个真空度非常高的情况，真空度的巨细可以相比宇宙中的真空度。如许可以或许把分子牢牢地抓在外貌，不让它到处运动。

别的，由于真空度非常高，周围大气情况中的分子不会对水分子产生滋扰。

在这么纯净的情况下，我们终于可以第一次看到单个水分子的实空间图像，可以看到许多V型结构。

如果把水的结构叠上去，看到的微型结构跟水的骨架完全一致，不只是键角一致，包括键长也完全匹配。

这是人类第一次可以或许清晰地看到水分子的结构图像。

但是，有些时候看到是一种比力希奇的水分子图像。

好比说，右边是黑洞的图像；左边这个现实上是水分子。

把水分子放上去，我们会发明它并不是水分子的骨架，而是水分子周围的电子产生的电子云。亮的地方电子比力多，暗的地方电子比力少，以是就形成一个可以说是跟黑洞一模一样的图像。

这两种物质的尺寸大概有20个量级以上的差别。我们不得不感慨自然界竟然这么精良，两种尺度相差这么大的物质，在图像上竟然是这么的一致。

“冰”的界限

我们既然能看到单个水分子，那么我们能干什么呢？

我们就能去逐步地玩它、可以养它、也可以拍它。

第一件事情，我们想看一看冰到底长什么样，冰到底是怎么长出来的。这是一个非常基础的观点，但是现实上没有人知道究竟是怎么回事。

如果你去南极或者北极，在海面上有非常多的厚厚的冰层。这种冰层现实上是成千上万的水堆在一块儿形成的物质。

那能不能把这么厚的冰层一层一层地减薄，末了减到单层冰。单层冰的结构是什么样的？它是怎么长出来的？这会影响我们理解厚冰层的天生。

终于有一天，我们做成了这件事情。这个事情在本年（2020年）年初刚刚发表在《自然》杂志上。

我们看到了单层冰的高辨别原子结构图像，可以看到它是一个蜂窝状的结构，跟我们熟知的石墨烯蜂窝状结构一模一样，以是我们称它为类石墨烯结构。

除此之外，它的界限现实上比蜂窝状结构更为庞大，由于它不光有六圆环组成的锯齿状界限，别的另有五圆环、七圆环等拼起来的庞大界限，我们称它为“扶手椅”界限。

看到这个界限以后，我们能对它的界限生长状态举行照相。

举个例子来看，对于锯齿状的界限，我们发明它起首在一个位置长出一个五圆环，然后五圆环再进一步延拓，长成一串的行列式五圆环，但是这些五圆环中心有一些空隙。

怎么办呢？水分子非常智慧，它可以或许直接嵌到这些空隙内里，把这些五圆环桥接在一块儿，像搭桥一样，末了把它酿成最初始的六圆环状态，这就完成了一次生长。

这就是我们在显微镜下面看到的冰的真实生长状态。

我们一旦知道了冰是怎么长出来的，就可以告诉质料科学家怎么去制备一些特殊的质料，来抑制冰的形成，或者促进冰的形成。

这是其中一个例子。我们做了一个看起来上面、下面一样的质料，但现实上我们已经对这个质料的上下两部门做了特殊的涂层处置惩罚，上面是抑制结冰的涂层，下面是促进结冰的涂层。

把这个质料放在水蒸气下面，然后降到低温状态，水就开始在外貌凝聚、结冰。

上面的涂层上长出的是非常粗糙的颗粒状的冰，下面的涂层上长出的是非常平整的冰层。这时候拿风一吹，上面这种冰粒很容易就被吹掉了，但是下面的冰层会牢牢地吸在外貌上，怎么吹都不掉。

我们终于发明可以人为地去控制质料抑制结冰或者促进结冰的举动，这现实上具有很紧张的现实意义。

好比研究冰层、大气中冰雨的形成。

又好比外貌防结冰、器官冷藏时防止器官被冰碴所刺破等。

人类初次在原子条理看清“盐水”

适才讲的是纯水，但现实上水跟别的物质也会产生很有意思的相互作用。

其中一个相互作用称为“离子水合”。这个词听起来非常生疏，但是我举个例子各人一定会以为非常熟悉。

如果我们把一勺盐直接倒在水里，再晃一晃，这个盐很快就没有了，由于盐都溶解在水中了。

盐为什么会溶解？从微观上看大概是这么回事：盐是氯化钠，是由氯和钠组成的晶体，把氯化钠泡在水里，水分子会逐步地把钠和氯两种离子拽走，同时水分子会包裹在被拽走的离子周围，如许就形成一种团簇结构，这个团簇结构就是离子水合物，这个历程我们称为离子水合历程。

离子水合历程在100多年前就已经被化学家所意识到了，但是迄今为止仍然没有人真正看到过离子水合物到底长什么样，离子水合历程是不是可以或许产生，水分子在离子周围到底是什么样的构型，离子周围到底有几个水，现实上这一系列的基础问题都很难回答。

我们在显微镜下面可以或许清晰地看到，由一个水和一个离子形成的水合物，两个水跟一个离子，三个水、四个水等差别数目的水分子可以跟一个离子形成千奇百怪的结构，而且它的构型也非常有意思。

这可以说是我们人类第一次在原子条理看清晰盐水。

现实上，想看到盐水没那么容易。

一般情况下，我们把盐放在水内里来溶解成离子水合物，但是对于我们来说这种措施是不可的。

我们必须要用针尖人工造出单个离子水合物，如许才能让成像变得简朴。

以是我们设计了一个非常有意思的措施，可以用针尖模拟水溶解离子的历程，人为地造出含有差别数目水分子的离子水合物，然后再去举行照相。

除了看到水的状态之外，我们还发明当离子周围包裹了特定命目水分子的时候，这个离子水合物可以在外貌非常快地扩散，这就是非常有意思的幻数效应。

只有在特定命目水分子包裹的情况下，离子才能得到比力大的速率。

人体吸收离子的时候，离子必须要穿过离子通道才能被人体吸收，但是离子通道自己非常狭窄，它是一个原子尺度的通道。

很反常的是，现实上离子可以或许非常高效地通过离子通道。

我们的事情现实上提供了一种非常有趣的理解，是不是在离子通过通道的时候，它周围包裹了特定命目的水分子，水分子可以帮助离子高效地通过离子通道。

这现实上为生物离子通道的解释提供了一种新的思绪。

水——潜在的清洁能源

末了，我想和各人聊一聊能源的事情。

之前我们都是在用显微镜看水，那我们能不能操控水呢？

答案肯定是可以的。

我们可以让水剖析，把它的氢氧键打断，让水酿成氢气和氧气。

产生氢气的意义是什么？氢气是一种非常清洁、非常高效的能源，氢气燃烧可以产生极大的能源。

同时，氢气燃烧之后酿成水，水又可以剖析成氢气，如许可以形成可循环的清洁能源，而且在这个历程中不会产生任何污染。

如果我们有一个措施，能把水高效地剖析成氢气和氧气，世界的能源问题就被解决了。

初中化学就教给了我们剖析水的要领。直接往水里通电，水就酿成氢气和氧气了，这是很简朴的一个历程。

但这个历程不可能用来商业化，不可能用来产生能源。

由于电极质料很昂贵，用的是铂质料，别的必须要消耗非常巨大的电能。以是人们就想统统措施来突破这两个瓶颈。

起首，我们是不是可以探求一些比力自制的、和铂电极效率靠近的质料来替换铂，如许就可以降低成本。

最近我们发明对二硫化钼举行一些特殊的处置惩罚之后，它的水解效率可以跟铂相比，但是还不能完全跟铂匹配。这说明颠末一系列积极，我们有可能找到如许的质料来替换昂贵的铂电极。

另外一个思绪，由于要泯灭很大的电能，那我们可不可以不需要电就让水剖析成氢气。

有许多的科学家也在往这个偏向积极。好比说，设计一些特殊的催化剂和混淆液相反应，让水不需要通电就直接剖析成氢气。但是很遗憾的是我们必须要对它举行一定的加热，加热也要耗能。

如果不需要加热，在室温下是不是能做到让水自动剖析呢？

我们可以借助太阳光。太阳光有很大的能量，如果把催化剂泡在水内里，在太阳光照射下水自动剖析成氢气和氧气，那岂不是一件非常令人兴奋的事情。

但是很遗憾的是，光解水的效率目前还很低，还需要进一步的提升和优化。

今天给各人展示了一些水的特性。

现实上，水在我们生命体里也是非常紧张的物质。没有水，卵白质不可能折叠；没有水，人体内的化学反应也不会产生，人就不会存在。

由此可以看到，从结构上来说，水是非常柔软的物质，但在科学上它是非常难啃的一块骨头。

科学家们用了开始进的实验和理论模拟手段，试图深入到原子和分子尺度，希望通过高辨别的研究可以或许展现更多水的玄妙，让水更好地为人类服务，造福人类。

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