这种物质虽然司空见惯,但我敢说真的没人了解它

本文摘要:实质上,水还有很多其它 的十分怪异 的性质。 比如说,大部分物质从液体变为液体 的时候,它 的体积不会增大。但是 水结为冰 的时候,它 的体积反而不会变小,密度不会增大,而且水在4℃ 的时候密度仅次于。 这个现象跟大家 的常识是 忽略 的。 另外,如果我们来做到一个实验,把一瓶热水和一瓶冷水同时放入冰箱,你不会找到热水比冷水更加慢结冰。 这也是 十分怪异 的现象。 此外,还有关于冷藏人、冷藏器官、器官冷藏 的研究,实质上跟刚才我们谈及 的鱼为什么不结冰是 类似于 的现象。

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  实质上,水还有很多其它 的十分怪异 的性质。  比如说,大部分物质从液体变为液体 的时候,它 的体积不会增大。但是 水结为冰 的时候,它 的体积反而不会变小,密度不会增大,而且水在4℃ 的时候密度仅次于。  这个现象跟大家 的常识是 忽略 的。

  另外,如果我们来做到一个实验,把一瓶热水和一瓶冷水同时放入冰箱,你不会找到热水比冷水更加慢结冰。  这也是 十分怪异 的现象。  此外,还有关于冷藏人、冷藏器官、器官冷藏 的研究,实质上跟刚才我们谈及 的鱼为什么不结冰是 类似于 的现象。

  其中很最重要 的一个课题是 ,冷藏人体时必需要确保体内 的水无法结冰。水一旦结冰,有可能变为小 的冰碴,不会刺穿细胞膜,从而使器官失活。

  非常简单地从水结冰这样一个现象来看,事实上有很多物理和化学过程不为大家熟知,也必须用更加了解 的科学手段去探究这些问题。  有人总结过,水大约有70多条异常特性。

  除了刚才谈 的热缩冷胀,即密度 的异常,还有很多如低比热容、低熔点、热导、张力等特性。  这些性质都还正处于研究之中,大家还无法几乎理解它内在 的机制究竟是 什么。  因此,《科学》在创刊125周年 的时候,明确提出了本世纪最不具挑战性 的125个科学问题,其中一个问题就是 “水 的结构是 什么”,这解释水 的结构实质上是 理解水 的性质最关键 的一环。

  如果我们能从微观上理解确切水 的结构 的话,我们就能更佳地理解水 的很多特性,找出水 的世纪难题。  水 的量子效应  大家都告诉,水是 由水分子包含 的,那么水分子宽什么样呢?  就像这个图里面画 的一样。  只不过水分子很非常简单,就是 两个氢再加一个氧,构成了一个非常简单 的三原子 的分子。

这是 我们都熟悉 的化学构成。  但是 ,四年前我们在《科学》杂志上公开发表 的一篇文章中提及,水 的结构只不过并不是 这么非常简单,水具备一些量子效应。

  什么是 量子效应呢?  在经典 的图像中,非常简单 的水就是 两个氢和一个氧,即使给它冷却、特一些扰动,它还是 这种构型。  但是 ,如果用更加准确 的手段分析,我们不会找到氢原子在空间中有一定 的方位波动,也就是 说道它没确认 的方位,而是 有一些概率上 的产于。

  氢原子 的空间波动现象不会对水 的结构和性质产生十分大 的影响,还包括氢键相互作用,从而使水展现一些十分异常 的特性。  荐一个例子来看,如果我们不考虑到氢原子在空间上 的量子效应,那么我们体内 的很多化学反应有可能显然就会再次发生,或者说最少不会减缓1000倍以上。  所以,如果没水 的量子效应,我们人有可能就不不存在,所有 的生物也不会不不存在。

  在我们这个工作出来之后,有很多商家发售了一些“量子水”,据传是 对我们身体健康有益 的一种水。  但是 我要说 的是 ,此量子有可能非彼量子,大家手里拿 的每一瓶水可以说道都是 量子水,因为量子效应是 水本身 的一种属性,所以这是 一个概念抹黑现象。  单个水都这么简单了,那么水和水放到一块儿,它 的结构是 不是 更为简单呢?  水和水之间不存在着一种相互作用,这种相互作用叫氢键。

  什么是 氢键?  水里面 的氧带负电、氢带正电,把水分子放到一块 的时候,带上正电 的氢和带上负电 的氧会产生互相更有起到,这个互相更有起到就是 氢键。  只不过把一个水分子当成是 一个人,就像人和人手拉手,就变为了水 的网络结构。  氢键有很多很怪异 的特性。比如,它有协同性,如果我和另一个人 的手牵手状态发生变化,那么不会影响周围一堆人 的状态也发生变化。

  氢键还有灵活性。如果我夹住放松,那么我会很更容易地和另外一个人手牵手,所以它有一个十分怪异、非常灵活 的特性。

  另外, 氢键还有方向性。氢键总是 氢指向氧才能成键,如果氢指向氢、或者氧指向氧,就会构成这个键。  这三种特性造成水会构成非常复杂 的网络结构,称作氢键网络。

  如果我们能搞清楚氢键网络 的结构,那么很有可能几乎找出水 的一些异常特性 的奥秘,甚至能去操纵水 的性质。  水 的三种物相  大家都熟悉水有三种物相。

  在低温 的时候它是 液体、是 冰相,冰相里面 的水分子都规规矩矩地排在自己 的方位上,构成一个规则 的、有序 的网络结构。  如果把冰略为增高一点温度,它就不会融化,融化之后这些水分子就待不住了,不会跑到别 的地方去,甚至还不会跑到间隙方位,所以就变为无序 的液态结构。  在液态 的情况下,水分子是 没任何规律、没任何周期性、几乎无序 的状态。

  如果再进一步加剧,水分子和水分子之间就不会渐渐靠近,它 的键会被停下来,最后变为没任何相互作用 的气态。  在水 的三个物看中,冰相虽然说道比较非常简单,但迄今为止,大家找到大约不存在18种冰相。

在有所不同 的条件下,它展现有所不同 的结构。  液相可以说道是 目前为止水里面最简单 的一个互为,没任何 的理论和实验需要问液相 的结构究竟是 什么。

  在过去几十年间,有若干 的实验和理论企图去答案这个问题,明确提出了很多 的模型,比如四面体模型、拼成成链状 的绳圈模型、几乎无规 的恐慌模型,但是 没一种模型需要得出失望 的答案。  所以说道,到现在为止液态水 的结构还在白热化 的争辩之中。  或许商家早已解决问题了这个问题,他们早已告诉液态水 的结构究竟是 什么,或者是 说道需要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 的细胞膜被人体吸取,增进新陈代谢。

  但很失望 的是 ,这种现象或者说这种声称目前仍没科学 的反对,有待于更进一步证实。  那么我们怎么办?  最必要 的办法是 看见水分子,需要告诉水分子在什么地方,它怎么排成网络结构,它有几个水分子在这个网络里面,这就是 我研究水 的想法。

  第一次看见单个水分子 的实空间图像  为了看见水分子,我们无法用大家少见 的光学显微镜,因为它 的分辨率远远不够,所以这里要讲解一下扫瞄隧道显微镜,全称是 STM。  扫瞄隧道显微镜由两位瑞士 的科学家Bining和Rohrer在1981年发明者,他们因此取得了1986年 的诺贝尔物理学奖。

他们用这个显微镜可以看见表面 的原子结构,这在当时来说是 十分真是 的一个成就。  为什么STM能看见原子?当然不是 用眼睛必要去看,更加形象地说道应当是 感官原子,像盲人摸象一样去碰原子。

  现实 的情况下,我们并不是 擅长去碰原子,而是 拿一根十分粗、十分锐利 的针尖去附近原子,当针尖和原子靠得充足将近 的时候,两者之间不会有十分局域 的隧道电流产生。  在表面展开扫瞄 的时候,根据电流 的变化就能把表面 的原子平缓光学出来。所以说道,实质上我们并不是 确实看见原子,而是 把它感官出来。  STM工作原理  很多人回答我,你必须多么钝 的针尖才能腊这件事情?因为你要看见 的是 原子,而不是 一个普通 的物质。

  实质上忘了一下,针尖最尖端 的直径应当是 头发丝 的千分之一,这个大小在光学显微镜下是 几乎看不到 的。  不仅如此,即使你有这么小直径 的针尖,依然无法确保能看见原子,必需要经过很简单 的手段,在针尖 的末端标记一些单个原子或标记单个分子,这样才能看见十分高分辨 的图像。  打一个形象 的比喻,针尖就样子是 龙卷风后面大块 的云,但才是最尖端 的一些原子和分子才是 获得高分辨率图像 的最重要因素。

这个图像十分熟悉地体现出有针尖 的确实形状。  这是 我们实验室 的两台扫瞄隧道显微镜,或者称作扫瞄探针显微镜。

  为了看见水分子,一般 的扫瞄隧道显微镜还敢,我们必需要把它降至零下260多度,这早已十分相似绝对零度。  除了低温以外,我们还必需把STM放到一个真空度十分低 的环境,真空度 的大小可以相提并论宇宙中 的真空度。

这样需要把分子牢牢地捉在表面,不想它四处运动。  此外,由于真空度十分低,周围大气环境中 的分子会对水分子产生阻碍。  在这么洁净 的环境下,我们再一可以第一次看见单个水分子 的实空间图像,可以看见很多V型结构。

  如果把水 的结构砌上去,看见 的微型结构跟水 的骨架完全一致,不只是 键角完全一致,还包括键长也几乎给定。  这是 人类第一次需要明晰地看见水分子 的结构图像。  但是 ,有些时候看见是 一种较为怪异 的水分子图像。

  比如说,右边是 黑洞 的图像;左边这个实质上是 水分子。  把水分子放上去,我们不会找到它并不是 水分子 的骨架,而是 水分子周围 的电子产生 的电子云。暗 的地方电子较为多,亮 的地方电子较为较少,所以就构成一个可以说道是 跟黑洞一模一样 的图像。  这两种物质 的尺寸大约有20个量级以上 的差异。

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我们被迫感叹自然界居然这么精致,两种尺度差距这么大 的物质,在图像上居然是 这么 的完全一致。  “冰” 的边界  我们既然能看见单个水分子,那么我们能干什么呢?  我们就能去慢慢地玩游戏它、可以饲它、也可以拍电影它。  第一件事情,我们想要看一看冰究竟宽什么样,冰究竟是 怎么宽出来 的。这是 一个十分基础 的概念,但是 实质上没有人告诉到底是 怎么回事。

  如果你去南极或者北极,在海面上有十分多 的厚厚 的冰层。这种冰层实质上是 成千上万 的水堆在一块儿构成 的物质。

  那能无法把这么薄 的冰层一层一层地减薄,最后减半到单层冰。单层冰 的结构是 什么样 的?它是 怎么宽出来 的?这不会影响我们解读薄冰层 的分解。

  再一有一天,我们制成了这件事情。这个工作在今年(2020年)年初刚公开发表在《大自然》杂志上。  我们看见了单层冰 的高分辨原子结构图像,可以看见它是 一个蜂窝状 的结构,跟我们熟悉 的石墨烯蜂窝状结构一模一样,所以我们称之为它为类石墨烯结构。

  除此之外,它 的边界实质上比蜂窝状结构更加简单,因为它不光有六圆环构成 的锯齿状边界,此外还有五圆环、七圆环等拼成一起 的简单边界,我们称之为它为“扶手椅”边界。  看见这个边界以后,我们能对它 的边界生长状态展开照片。

  荐个例子来看,对于锯齿状 的边界,我们找到它首先在一个方位宽出有一个五圆环,然后五圆环再进一步连续函数,生出一串 的队列式五圆环,但是 这些五圆环中间有一些空隙。  怎么办呢?水分子十分聪慧,它需要必要嵌到这些空隙里面,把这些五圆环桥接在一块儿,像脑瘤一样,最后把它变为最初始 的六圆环状态,这就已完成了一次生长。  这就是 我们在显微镜下面看见 的冰 的现实生长状态。

  我们一旦告诉了冰是 怎么宽出来 的,就可以告诉他材料科学家怎么去制取一些类似 的材料,来诱导冰 的构成,或者增进冰 的构成。  这是 其中一个例子。

我们做到了一个看上去上面、下面一样 的材料,但实质上我们早已对这个材料 的上下两部分做到了类似 的涂层处置,上面是 诱导结冰 的涂层,下面是 增进结冰 的涂层。  把这个材料放到水蒸气下面,然后降至低温状态,水就开始在表面凝固、结冰。  上面 的涂层上长出有 的是 十分坚硬 的颗粒状 的冰,下面 的涂层上长出有 的是 十分平坦 的冰层。

这时候拿风一吹,上面这种冰粒很更容易就被吹掉了,但是 下面 的冰层不会牢牢地吸食在表面上,怎么刮起都忘了。  我们再一找到可以人为地去掌控材料诱导结冰或者增进结冰 的不道德,这实质上具备很最重要 的现实意义。  比如研究冰层、大气中冰雨 的构成。过冷水在界面处结冰  又比如表面以防结冰、器官冷藏时避免器官被冰碴所刺穿等。

  人类首次在原子层次看清楚“盐水”  刚才谈 的是 纯水,但实质上水跟别 的物质也不会再次发生很有意思 的相互作用。  其中一个相互作用称作“离子水合”。这个词听得一起十分陌生,但是 我荐个例子大家一定会实在十分熟知。  如果我们把一勺盐必要推倒在水里,再行伸一晃,这个盐迅速就没了,因为盐都沉淀在水中了。

  盐为什么不会沉淀?从微观上看大约是 这么回事:盐是 氯化钠,是 由氯和钠构成 的晶体,把氯化钠冷水在水里,水分子不会慢慢地把钠和氯两种离子扯回头,同时水分子不会包覆在被扯回头 的离子周围,这样就构成一种团簇结构,这个团簇结构就是 离子水合物,这个过程我们称作离子水合过程。  离子水合过程在100多年前就早已被化学家所意识到了,但是 迄今为止依然没有人确实看见过离子水合物究竟宽什么样,离子水合过程是 不是 需要再次发生,水分子在离子周围究竟是 什么样 的构型,离子周围究竟有几个水,实质上这一系列 的基础问题都很难问。  我们在显微镜下面需要确切地看见,由一个水和一个离子构成 的水合物,两个水跟一个离子,三个水、四个水等有所不同数目 的水分子可以跟一个离子构成千奇百怪 的结构,而且它 的构型也十分有意思。

  这可以说道是 我们人类第一次在原子层次看清楚盐水。  实质上,想要看见盐水没有那么更容易。

  一般情况下,我们把盐放到水里面来沉淀成离子水合物,但是 对于我们来说这种办法是 敢 的。  我们必需要用针尖人工用上单个离子水合物,这样才能让光学显得非常简单。  所以我们设计了一个十分有意思 的办法,可以用针尖仿真水沉淀离子 的过程,人为地用上所含有所不同数目水分子 的离子水合物,然后再行去展开照片。

  除了看见水 的状态之外,我们还找到当离子周围包覆了特定数目水分子 的时候,这个离子水合物可以在表面十分慢地蔓延,这就是 十分有意思 的幻数效应。  只有在特定数目水分子包覆 的情况下,离子才能取得较为大 的速度。  人体吸取离子 的时候,离子必需要穿越离子通道才能被人体吸取,但是 离子通道本身十分狭小,它是 一个原子尺度 的地下通道。

  很异常 的是 ,实质上离子需要十分高效地通过离子通道。  我们 的工作实质上获取了一种十分有意思 的解读,是 不是 在离子通过地下通道 的时候,它周围包覆了特定数目 的水分子,水分子可以协助离子高效地通过离子通道。  这实质上为生物离子通道 的说明获取了一种新的 的思路。  水——潜在 的清洁能源  最后,我想要和大家闲谈一聊能源 的事情。

  之前我们都是 在用显微镜看水,那我们能无法操纵水呢?  答案认同是 可以 的。  我们可以让水分解成,把它 的氢氧键停下来,让水变为氢气和氧气。  产生氢气 的意义是 什么?氢气是 一种十分洗手、十分高效 的能源,氢气自燃可以产生很大 的能源。  同时,氢气自燃之后变为水,水又可以分解成氢气,这样可以构成可循环 的清洁能源,而且在这个过程中会产生任何污染。

  如果我们有一个办法,能把水高效地分解成氢气和氧气,世界 的能源问题就被解决问题了。  初中化学就教给了我们分解成水 的方法。必要往水里通电,水就变为氢气和氧气了,这是 很非常简单 的一个过程。

  但这个过程不有可能用来商业化,不有可能用来产生能源。  因为电极材料很便宜,用 的是 铂材料,此外必需要消耗十分极大 的电能。

所以人们就想要一切办法来突破这两个瓶颈。  首先,我们是 不是 可以找寻一些较为低廉 的、和铂电极效率相似 的材料来替代铂,这样就可以降低成本。  最近我们找到对二硫化钼展开一些类似 的处置之后,它 的水解效率可以跟铂相提并论,但是 还无法几乎跟铂给定。这解释经过一系列希望,我们有可能寻找这样 的材料来更换便宜 的铂电极。

  另外一个思路,由于要花费相当大 的电能,那我们可不可以不必须电竟然水分解成氢气。  有很多 的科学家也在往这个方向希望。比如说,设计一些类似 的催化剂和混合液互为反应,让水不必须通电就必要分解成氢气。但是 很失望 的是 我们必需要对它展开一定 的冷却,冷却也要耗电。

  如果不必须冷却,在室温下是 不是 能做让水自动分解成呢?  我们可以利用太阳光。太阳光有相当大 的能量,如果把催化剂冷水在水里面,在太阳光太阳光龙骨自动分解成氢气和氧气,那岂不 一件十分令人高兴 的事情。  但是 很失望 的是 ,吸收水 的效率目前还很低,还必须更进一步 的提高和优化。

  今天给大家展出了一些水 的特性。  实质上,水在我们生命体里也是 十分最重要 的物质。

没水,蛋白质不有可能拉链;没水,人体内 的化学反应也会再次发生,人就会不存在。  由此可以看见,从结构上来说,水是 十分坚硬 的物质,但在科学上它是 十分无以撕开 的一块骨头。  科学家们用了最先进设备 的实验和理论仿真手段,企图了解到原子和分子尺度,期望通过高分辨 的研究需要说明了更加多水 的奥妙,让水更佳地为人类服务,造福人类。


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