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这种物质虽然司空见惯,但我敢说真的没人了解它|时博体育

官方网站_本质上,水还有许多其他非常奇怪的特性。比如大多数物质从液体变成液体时,其体积不会增加。而水结冰时,体积不会减小,密度也不会增加,4时水的密度仅次于冰。

这个现象用常识忽略了。另外,如果我们同时往冰箱里放一瓶热水和一瓶冷水,你不会发现热水结冰比冷水慢。这也是一个很奇怪的现象。此外,还有对人体冷藏、器官冷藏、器官冷藏的研究。

本质上类似于刚才鱼不结冰的现象。其中最重要的一个问题是,冷藏人体时,需要保证体内的水不会结冰。水一旦结冰,可能会变成小冰碴,不会刺破细胞膜,从而使器官失活。

很简单的从水结冰的现象来看,其实有很多物理化学过程大家都不太了解,需要用更好的科学手段去探索这些问题。已经得出结论,水有大约70种异常特征。

除了只说热收缩和冷膨胀,也就是密度异常,还有很多特性,比如比热容低,熔点低,导热系数低,张力低等等。这些性质还在研究中,我们很难理解其内在机理是什么。因此,《科学》在成立125周年之际,明确提出了本世纪最不具挑战性的125个科学问题,其中之一就是“水的结构是什么”,说明水的结构本质上是理解水的性质最关键的环节。

如果我们能从微观上了解水的确切结构,我们就能更好地了解水的许多特征,找出水的世纪问题。水的量子效应大家都说水是由水分子包含的,那么水分子的宽度是多少呢?就像这张图中的图片。

只有水分子非常非常简单,就是两个氢加一个氧构成一个非常简单的三原子分子。这是我们都熟悉的化学成分。

但是我们四年前在《科学》杂志上发表的一篇文章中提到,水的结构并不是那么简单,水有一些量子效应。什么是量子效应?在经典图像中,非常简单的水是两个氢和一个氧。即使它被冷却和扰动,它仍然处于这种配置。

但是如果用更精确的手段来分析,就不会发现氢原子在空间上有一定的方位波动,也就是说它并没有确定自己的方位,而是有一定的概率。氢原子的空间涨落对水的结构和性质没有很大影响,但也包含氢键相互作用,使得水表现出一些不寻常的特性。举个例子,如果不考虑空间氢原子的量子效应,我们体内的很多化学反应很明显可能会再次发生,或者至少不会减慢1000倍以上。

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所以,没有水的量子效应,我们可能不存在,所有的生物都不会存在。我们的作品出来后,很多商家都卖一些“量子水”,据说是一种对我们身体有益的水。但我想说的是,这个量子不一定是另一个量子,每个人手中的每一瓶水都可以说是量子水。因为量子效应是水本身的属性,是抹黑现象的概念。

单水那么简单,那么如果把水放在一起,它的结构是不是更简单?水和水之间没有相互作用,称为氢键。氢键是什么?水中的氧带负电荷,氢带正电荷。

水分子放在一起,带正电荷的氢和带负电荷的氧会互相起更重要的作用,这就是氢键。只要把一个水分子想象成一个人,就像和人牵手一样,就成了水的网络结构。氢键有很多奇怪的特征。比如有协同作用。

如果我和另一个人手拉手的状态改变了,也不会影响到身边一堆人的状态。氢键和柔韧性。 如果我放松,我会更容易和另一个人牵手,所以它有一个非常奇怪和灵活的特征。

另外,氢键具有方向性。氢键只有在氢指向氧时才能形成。如果氢指向氢或者氧指向氧,就会形成这个键。这三个特性导致水形成一个非常复杂的网络结构,称为氢键网络。

如果我们能了解氢键网络的结构,就几乎有可能发现水的一些异常特征的奥秘,甚至操纵水的性质。水的三相人人都知道水有三相。在低温下,是液体和冰相,冰相中的水分子按各自的方向排列,形成规则有序的网络结构。

如果冰的温度稍微升高,它就不会融化。这些水分子融化后,不能停留,不能跑到其他地方,甚至不能跑到空隙位置,就变成了无序的液体结构。在液态的情况下,水分子处于无规律性、无周期性、近乎无序的状态。如果进一步加剧,水分子之间就不会靠得更近,其键也就停止了,最后变成气态,没有任何相互作用。

水的三个对象中,冰相很简单,但是到目前为止,我们发现大概有18个冰相。在不同的条件下,它表现出不同的结构。液相可以说是目前为止水中最简单的相互作用,没有任何理论或实验需要问液相的结构是什么。

在过去的几十年里,已经有大量的实验和理论试图回答这个问题,并且明确提出了许多模型,如四面体模型、链环模型和几乎随机恐慌模型,但都不需要得到令人失望的答案。到目前为止,液态水的结构仍处于激烈的争论之中。

也许商家早就解决了这个问题,早就告诉了液态水是什么结构,或者说要通过某种手段让液态水中的水分子聚集成小群体,然后通过我们的细胞膜让这个小群体更容易被人体吸收,从而促进新陈代谢。然而,令人失望的是,这一现象或说法仍然没有科学上的反对意见,需要进一步证实。那我们该怎么办?最必要的方法是看水分子。

我需要告诉你水分子在哪里,它们是如何排列成网络结构的,这个网络中有多少水分子。这是我研究水的想法。第一次看到单个水分子的真实空间图像为了看到水分子,我们不能用罕见的光学显微镜,因为它的分辨率远远不够,所以在这里我们就来解释一下扫描隧道显微镜,它的全称是STM。

扫描隧道显微镜是由两位瑞士科学家比宁和罗勒于1981年发明的,他们于1986年获得诺贝尔物理学奖。他们可以用这台显微镜看到表面的原子结构,这在当时是一个非常真实的成就。STM为什么能看到原子?当然,没必要用眼睛看。

更形象地说应该是感官原子,像盲人一样触摸原子。现实中我们并不擅长接触原子,而是拿着一根很粗很尖的针尖对着附近的原子。当针尖和原子足够接近时,它们之间就不会有非常局部的隧道电流。当扫描表面时,表面的原子可以根据电流的变化进行光学平滑。

所以,本质上,我们不是真的看到原子,而是感觉到它们。STM是怎么工作的很多人回答我,这个东西你要蜡有多钝尖?因为你想看到的是原子,不是普通的物质。

本质上我忘了针尖的直径应该是头发的千分之一,在光学显微镜下几乎看不见。不仅如此,即使你有这么小直径的针尖,你还是不能保证你能看到原子。

需要通过简单的手段在针尖末端标记一些单个原子或分子,这样就可以看到非常高分辨率的图像。 用一个图像比喻,针尖就像龙卷风后面的一大片云,但最尖端的原子和分子才是获得高分辨率图像的最重要因素。这个图像非常熟悉针尖的确切形状。

这是我们实验室的两台扫描隧道显微镜,或扫描探针显微镜。普通扫描隧道显微镜为了能看到水分子,还敢把它降低到零下260多度,已经很接近绝对零度了。除了低温,还必须把STM放在真空度非常低的环境中,可以和宇宙中的真空度相比。需要把分子牢牢的固定在表面,不希望它四处移动。

另外,由于真空度很低,周围大气环境中的分子会阻碍水分子。在这样干净的环境下,我们第一次可以看到单个水分子的真实空间图像,可以看到很多V型结构。

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如果构建水的结构,微观结构和水的骨架一模一样,不仅键角一模一样,键长也差不多给定。这是人类第一次需要看清水分子的结构图像。

然而,有时我们会看到水分子的奇怪图像。比如右边是一个黑洞的图像;左边这个本质上是水分子。如果把水分子放在上面,我们不会发现它不是水分子的骨架,而是水分子周围的电子产生的电子云。

暗的地方电子多,亮的地方电子少,可以说是和黑洞一模一样的图像。这两种物质的大小相差20多个数量级。

我们不得不感叹大自然是如此的细腻,两种尺度差距如此之大的材料在图像上是如此的完全一致。既然能在“冰”的边界看到单个水分子,那我们能做什么?我们可以慢慢放,可以喂它,也可以拍电影。首先,我们想看看什么样的冰宽,它有多宽。这是一个非常基本的概念,但实际上没有人告诉我是怎么回事。

如果你去南极或北极,海上有很多厚厚的冰。这种冰层本质上是由成千上万的水堆积在一起而成的物质。它能不能把冰层一层一层的变薄,最后减半成一层冰?单层冰是什么结构?怎么加宽的?这不会影响我们对薄冰层分解的解释。一天又一天,我们做了这个东西。

这部作品在今年年初(2020年)发表在《大自然》杂志上。我们可以看到单层冰的高分辨率原子结构图像,我们可以看到它是一个蜂窝状结构,和我们熟悉的石墨烯蜂窝状结构一模一样,所以我们称之为石墨烯状结构。除此之外,它的边界比蜂窝结构的边界要简单得多,因为它不仅有一个由六个环组成的锯齿状边界,而且还有一个由五个环和七个环组成的简单边界,我们称之为“扶手椅”边界。看到这个边界后,就可以冲洗它的边界生长状态的照片了。

举个例子,对于一个锯齿状的边界,我们发现它首先在一个方向上有一个五环,然后五环进一步连续产生一系列队列状的五环,但是这些五环之间有一些间隙。我该怎么办?水分子是很聪明的,所以需要嵌在这些缝隙里,像脑瘤一样把这五个环桥接在一起,最后变成最初的六环状态,完成了一次生长。

这就是我们在显微镜下看到的冰的真实生长状态。一旦我们告诉他冰是如何变宽的,我们就可以告诉他材料科学家如何制造一些类似的材料来诱导或改善冰的成分。这是一个例子。我们制作了一种材料,它的顶部和底部看起来是一样的,但事实上,我们已经在这种材料的上部和下部做了类似的涂层处理,顶部是结冰诱导涂层,底部是结冰增强涂层。

把这种材料放在水蒸气下,然后降到低温,水开始凝固,在表面结冰。非常坚硬的粒状冰生长在上层,非常扁平的冰生长在下层。这时候风一吹,上面的冰粒就很容易被吹走,但是下面的冰在表面就吸不牢了,我就忘了怎么吹了。

我们再一次发现,我们可以人为地控制物质诱导结冰的不道德性或者增强结冰,这在本质上具有最重要的现实意义。比如研究大气中冰和雨的成分。过冷水在界面处的冻结,如防止表面冻结,防止器官冷藏时被冰碴刺穿等。

人类第一次在原子层面上看清了“盐水”。刚才我们讲了纯水,但本质上,水和其他物质不会再有有趣的相互作用。

其中一种相互作用被称为“离子水合”。这个词听起来很奇怪,但我推荐一个大家都会很熟悉的例子。

如果我们把一勺盐推到水里,然后把它伸出来,盐就会很快消失,因为盐已经沉淀在水中了。盐为什么不沉淀?从微观上看,盐是氯化钠,是由氯和钠组成的晶体。

氯化钠在水中冷却时,水分子不会慢慢拉回钠和氯两种离子,同时水分子也不会包裹住被拉回的离子,从而形成团簇结构,是一种离子水合物。这个过程叫做离子水合过程。

离子水合的过程已经被化学家们认识了一百多年,但到目前为止,还没有人真正看到离子水合的宽度是多少,离子水合的过程是否需要再次发生,离子周围水分子是什么样的构型,离子周围有多少水。本质上,这一系列基本问题很难问。在显微镜下,我们需要确切地看到水合物由一水一离子、二水一离子、三水四水等组成。可以用一个离子形成奇怪的结构,而且它的构型也很有趣。

这可以说是我们人类第一次在原子层面清晰地看到盐水。本质上来说,不是那么容易看到盐水的。通常,我们把盐放入水中沉淀成离子水合物,但这种方法对我们来说是大胆的。我们必须用针尖手动使用单个离子水合物,以便使光学显得非常简单。

所以我们设计了一个非常有趣的方法,可以用针尖模拟水沉淀离子的过程,人工使用含有不同数量水分子的离子水合物,然后展开照片。除了看到水的状态,我们还发现,当离子被特定数量的水分子包围时,这种离子水合物可以在表面扩散得非常缓慢,这是一种非常有趣的幻数效应。只有当一定数量的水分子被包覆时,离子才能达到更高的速度。

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人体吸收离子时,离子必须通过离子通道才能被人体吸收,但离子通道本身很窄,是原子尺度的地下通道。不同寻常的是,本质上,离子需要非常高效地通过离子通道。

本质上,我们的工作获得了一个非常有趣的解释。离子是否通过地下通道被特定数量的水分子包围,可以帮助离子高效通过离子通道。

这本质上是对生物离子通道解释的一种新的思路。水——潜在清洁能源最后想和大家聊聊能源。我们以前是用显微镜看水的,那么我们能操纵水吗?答案是肯定的。

我们可以通过停止水的氢氧键将水分解成氢和氧。产生氢气的意义是什么?氢气是非常高效的洗手能源,氢气自燃可以产生大量的能量。

同时氢气自燃后变成水,水可以分解成氢气,可以构成可回收的清洁能源,在过程中不会产生任何污染。如果我们有办法将水分解成氢

氧气,世界能源问题就解决了。初中化学教会了我们如何分解成水。需要给水通电,水就会变成氢气和氧气,这是一个非常非常简单的过程。

但是这个过程不能商业化,也不能用来发电。因为电极材料很便宜,用的是铂材料,另外要消耗非常大的电能。所以人们想方设法突破这两个瓶颈。首先,能否找到一些与铂电极效率相近的更便宜的材料来代替铂,从而降低成本?最近我们发现了一些类似的二硫化钼的处理方法后,其水解效率可以与铂相比,但几乎不能与铂相比。

这就解释了,经过一系列的希望,我们有可能找到这样一种材料来替代廉价的铂电极。另一种思路,因为需要大量的电,没有电能把水分解成氢气吗?许多科学家也在朝着这个方向努力。比如一些类似的催化剂和混合溶液被设计成相互反应,这样水就需要在不带电的情况下分解成氢气。

但是,令人失望的是,我们要把它冷却到一定程度,而且冷却也是要耗电的。如果不需要冷却,水在室温下能自动分解吗?我们可以利用阳光。

阳光有相当大的能量。如果催化剂冷水在水中,在阳光龙骨中会自动分解成氢气和氧气,岂不是很幸福的事?但令人失望的是,吸水效率仍然很低,必须进一步提高和优化。

今天我给大家展示了水的一些特性。本质上,水也是我们生活中最重要的物质。

没有水,蛋白质就不能被压缩;没有水,人体内的化学反应又会发生,人就不存在了。由此可见,水在结构上是一种非常坚硬的物质,但在科学上却是一根无法撕裂的骨头。科学家们试图用最先进的设备通过实验和理论模拟的手段来理解原子和分子尺度,希望通过高分辨率的研究来解释更多水的奥秘,使水更好地为人类服务和造福。

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