这种物质虽然司空见惯,但我敢说真的没人了解它
2020-07-27 08:22

这种物质虽然司空见惯,但我敢说真的没人了解它

本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:江颖(北京大学教授),题图来自:视觉中国




非常高兴有机会和大家一起探讨这么熟悉的一个物质——水。


水是大家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复杂的物质之一。到目前为止,仍然需要更多的科学研究去探索水的性质,所以水对于我们来说是一个非常陌生的世界。


奇怪的水


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。但实际上水非常奇怪,为什么这么说呢?


第一个例子我想带大家去南极看一看。


南极的气温非常低,很多水会结成冰。但是,在如此冷的地方仍然有很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?


经过科学研究发现,在这些鱼的血管里有一种叫抗冻蛋白的物质,它可以抑制水变成冰。


这是自然界中一个非常有意思的现象,但一直不为大家所知。



实际上,水还有很多其它的非常奇怪的性质。


比如说,大部分物质从液体变成固体的时候,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。


这个现象跟大家的常识是相反的。



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,你会发现热水比冷水更快结冰。


这也是非常奇怪的现象。



此外,还有关于冷冻人、冷冻器官、器官冷藏的研究,实际上跟刚才我们谈到的鱼为什么不结冰是类似的现象。


其中很重要的一个课题是,冷冻人体时必须要保证体内的水不能结冰。水一旦结冰,有可能变成小的冰碴,会刺破细胞膜,从而使器官失活。



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。


除了刚才讲的热缩冷胀,即密度的反常,还有很多如高比热、高熔点、热导、张力等特性。



这些性质都还处于研究之中,大家还不能完全了解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”,这说明水的结构实际上是了解水的性质最关键的一环。



如果我们能从微观上了解清楚水的结构的话,我们就能更好地了解水的很多特性,解开水的世纪难题。


水的量子效应


大家都知道,水是由水分子构成的,那么水分子长什么样呢?


就像这个图里面画的一样。



其实水分子很简单,就是两个氢加上一个氧,形成了一个简单的三原子的分子。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,水的结构其实并不是这么简单,水具有一些量子效应。



什么是量子效应呢?


在经典的图像中,简单的水就是两个氢和一个氧,即使给它加热、加一些扰动,它还是这种构型。


但是,如果用更精确的手段分析,我们会发现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分布。


氢原子的空间涨落现象会对水的结构和性质产生非常大的影响,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,如果我们不考虑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可能根本就不会发生,或者说至少会减慢1000倍以上。


所以,如果没有水的量子效应,我们人可能就不存在,所有的生物也会不存在。


在我们这个工作出来之后,有很多商家推出了一些“量子水”,据说是对我们健康有益的一种水。



但是我要说的是,此量子可能非彼量子,大家手里拿的每一瓶水可以说都是量子水,因为量子效应是水本身的一种属性,所以这是一个概念炒作现象。


单个水都这么复杂了,那么水和水放在一块儿,它的结构是不是更加复杂呢?


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?


水里面的氧带负电、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。


好比把一个水分子当作是一个人,就像人和人手拉手,就变成了水的网络结构。


氢键有很多很奇怪的特性。比如,它有协同性,如果我和另一个人的牵手状态发生变化,那么会影响周围一堆人的状态也发生变化。


氢键还有灵活性。如果我把手放开,那么我会很容易地和另外一个人牵手,所以它有一个非常奇怪、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,就不会形成这个键。


这三种特性导致水会形成非常复杂的网络结构,称为氢键网络。



如果我们能搞清楚氢键网络的结构,那么很有可能完全解开水的一些反常特性的奥秘,甚至能去操控水的性质。


水的三种物相


大家都熟知水有三种物相。


在低温的时候它是固体、是冰相,冰相里面的水分子都规规矩矩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,所以就变成无序的液态结构。


在液态的情况下,水分子是没有任何规律、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逐渐远离,它的键会被打断,最后变成没有任何相互作用的气态。



在水的三个物相中,冰相虽然说相对简单,但迄今为止,大家发现大概存在18种冰相。在不同的条件下,它展现出不同的结构。


液相可以说是目前为止水里面最复杂的一个相,没有任何的理论和实验能够回答液相的结构到底是什么。


在过去几十年间,有若干的实验和理论试图去解答这个问题,提出了很多的模型,比如四面体模型、拼成链状的绳圈模型、完全无规的混乱模型,但是没有一种模型能够给出满意的答案。



所以说,到现在为止液态水的结构还在激烈的争论之中。


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,或者是说能够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,这种现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?


最直接的办法是看到水分子,能够知道水分子在什么地方,它怎么排列成网络结构,它有几个水分子在这个网络里面,这就是我研究水的初衷。


第一次看到单个水分子的实空间图像


为了看到水分子,我们不能用大家常见的光学显微镜,因为它的分辨率远远不够,所以这里要介绍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,他们因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。他们用这个显微镜可以看到表面的原子结构,这在当时来说是非常了不起的一个成就。



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



真实的情况下,我们并不是拿手去摸原子,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。


在表面进行扫描的时候,根据电流的变化就能把表面的原子起伏成像出来。所以说,实际上我们并不是真正看到原子,而是把它感知出来。


STM工作原理


很多人问我,你需要多么尖的针尖才能干这件事情?因为你要看到的是原子,而不是一个普通的物质。


实际上算了一下,针尖最尖端的直径应该是头发丝的千分之一,这个大小在光学显微镜下是完全看不见的。



不仅如此,即使你有这么小直径的针尖,仍然不能保证能看到原子,必须要经过很复杂的手段,在针尖的末端修饰一些单个原子或修饰单个分子,这样才能看到非常高分辨的图像。


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分辨率图像的最重要因素。这个图像非常贴切地反映出针尖的真正形状。



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行,我们必须要把它降到零下260多度,这已经非常接近绝对零度。


除了低温以外,我们还必须把STM放在一个真空度非常高的环境,真空度的大小可以比拟宇宙中的真空度。这样能够把分子牢牢地抓在表面,不让它到处运动。


此外,由于真空度非常高,周围大气环境中的分子不会对水分子产生干扰。


在这么纯净的环境下,我们终于可以第一次看到单个水分子的实空间图像,可以看到很多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。


这是人类第一次能够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较奇怪的水分子图像。


比如说,右边是黑洞的图像;左边这个实际上是水分子。



把水分子放上去,我们会发现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。亮的地方电子比较多,暗的地方电子比较少,所以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巧,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”的边界


我们既然能看到单个水分子,那么我们能干什么呢?


我们就能去慢慢地玩它、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概念,但是实际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。这种冰层实际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,最后减到单层冰。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生成。


终于有一天,我们做成了这件事情。这个工作在今年(2020年)年初刚刚发表在《自然》杂志上。


我们看到了单层冰的高分辨原子结构图像,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,所以我们称它为类石墨烯结构。



除此之外,它的边界实际上比蜂窝状结构更为复杂,因为它不光有六圆环组成的锯齿状边界,此外还有五圆环、七圆环等拼起来的复杂边界,我们称它为“扶手椅”边界。



看到这个边界以后,我们能对它的边界生长状态进行拍照。


举个例子来看,对于锯齿状的边界,我们发现它首先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?水分子非常聪明,它能够直接嵌到这些空隙里面,把这些五圆环桥接在一块儿,像搭桥一样,最后把它变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,就可以告诉材料科学家怎么去制备一些特殊的材料,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、下面一样的材料,但实际上我们已经对这个材料的上下两部分做了特殊的涂层处理,上面是抑制结冰的涂层,下面是促进结冰的涂层。


把这个材料放在水蒸气下面,然后降到低温状态,水就开始在表面凝结、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表面上,怎么吹都不掉。



我们终于发现可以人为地去控制材料抑制结冰或者促进结冰的行为,这实际上具有很重要的现实意义。


比如研究冰层、大气中冰雨的形成。


过冷水在界面处结冰


又比如表面防结冰、器官冷藏时防止器官被冰碴所刺破等。




人类首次在原子层次看清“盐水”


刚才讲的是纯水,但实际上水跟别的物质也会发生很有意思的相互作用。


其中一个相互作用称为“离子水合”。这个词听起来非常陌生,但是我举个例子大家一定会觉得非常熟悉。


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,因为盐都溶解在水中了。


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,水分子会慢慢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,这样就形成一种团簇结构,这个团簇结构就是离子水合物,这个过程我们称为离子水合过程。



离子水合过程在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,离子水合过程是不是能够发生,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,实际上这一系列的基础问题都很难回答。


我们在显微镜下面能够清楚地看到,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、四个水等不同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层次看清楚盐水


实际上,想看到盐水没那么容易。


一般情况下,我们把盐放在水里面来溶解成离子水合物,但是对于我们来说这种办法是不行的。


我们必须要用针尖人工造出单个离子水合物,这样才能让成像变得简单。


所以我们设计了一个非常有意思的办法,可以用针尖模拟水溶解离子的过程,人为地造出含有不同数目水分子的离子水合物,然后再去进行拍照。


除了看到水的状态之外,我们还发现当离子周围包裹了特定数目水分子的时候,这个离子水合物可以在表面非常快地扩散,这就是非常有意思的幻数效应。



只有在特定数目水分子包裹的情况下,离子才能获得比较大的速度。


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,但是离子通道本身非常狭窄,它是一个原子尺度的通道。


很反常的是,实际上离子能够非常高效地通过离子通道。


我们的工作实际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,它周围包裹了特定数目的水分子,水分子可以帮助离子高效地通过离子通道。



这实际上为生物离子通道的解释提供了一种新的思路。


水——潜在的清洁能源


最后,我想和大家聊一聊能源的事情。


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。


我们可以让水分解,把它的氢氧键打断,让水变成氢气和氧气。


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,氢气燃烧之后变成水,水又可以分解成氢气,这样可以形成可循环的清洁能源,而且在这个过程中不会产生任何污染。


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了。


初中化学就教给了我们分解水的方法。直接往水里通电,水就变成氢气和氧气了,这是很简单的一个过程。


但这个过程不可能用来商业化,不可能用来产生能源。


因为电极材料很昂贵,用的是铂材料,此外必须要消耗非常巨大的电能。所以人们就想一切办法来突破这两个瓶颈。



首先,我们是不是可以寻找一些比较便宜的、和铂电极效率接近的材料来替代铂,这样就可以降低成本。


最近我们发现对二硫化钼进行一些特殊的处理之后,它的水解效率可以跟铂比拟,但是还不能完全跟铂匹配。这说明经过一系列努力,我们有可能找到这样的材料来替换昂贵的铂电极。



另外一个思路,由于要耗费很大的电能,那我们可不可以不需要电就让水分解成氢气。


有很多的科学家也在往这个方向努力。比如说,设计一些特殊的催化剂和混合液相反应,让水不需要通电就直接分解成氢气。但是很遗憾的是我们必须要对它进行一定的加热,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分解呢?


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里面,在太阳光照射下水自动分解成氢气和氧气,那岂不是一件非常令人高兴的事情。


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。



今天给大家展示了一些水的特性。


实际上,水在我们生命体里也是非常重要的物质。没有水,蛋白质不可能折叠;没有水,人体内的化学反应也不会发生,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。


科学家们用了最先进的实验和理论模拟手段,试图深入到原子和分子尺度,希望通过高分辨的研究能够揭示更多水的奥妙,让水更好地为人类服务,造福人类。


本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:江颖(北京大学教授)

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