對科學家而言，水為什麼被稱為自然界最複雜的物質之一
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為北京大學教授江穎演講實錄：
非常高興有機會和大家一起探討這麼熟悉的一個物質——水。
水是大家司空見慣的一種物質，但是對科學家而言，水可以説是自然界最複雜的物質之一。到目前為止，仍然需要更多的科學研究去探索水的性質，所以水對於我們來説是一個非常陌生的世界。
水可以説無處不在，在地上、地下，甚至在外太空、外星球都能找到水的蹤跡。但實際上水非常奇怪，為什麼這麼説呢？
第一個例子我想帶大家去南極看一看。
南極的氣温非常低，很多水會結成冰。但是，在如此冷的地方仍然有很多魚在自由地生存着。
為什麼在這麼低的温度下魚不會結冰呢？
經過科學研究發現，在這些魚的血管裏有一種叫抗凍蛋白的物質，它可以抑制水變成冰。
這是自然界中一個非常有意思的現象，但一直不為大家所知。
比如説，大部分物質從液體變成固體的時候，它的體積會減小。但是水結成冰的時候，它的體積反而會變大，密度會減小，而且水在4℃的時候密度最大。
這個現象跟大家的常識是相反的。
這也是非常奇怪的現象。
其中很重要的一個課題是，冷凍人體時必須要保證體內的水不能結冰。水一旦結冰，有可能變成小的冰碴，會刺破細胞膜，從而使器官失活。
有人總結過，水大概有70多條反常特性。
除了剛才講的熱縮冷脹，即密度的反常，還有很多如高比熱、高熔點、熱導、張力等特性。
因此，《科學》在創刊125週年的時候，提出了本世紀最具挑戰性的125個科學問題，其中一個問題就是“水的結構是什麼”，這説明水的結構實際上是瞭解水的性質最關鍵的一環。
水的量子效應
大家都知道，水是由水分子構成的，那麼水分子長什麼樣呢？
就像這個圖裏面畫的一樣。
但是，四年前我們在《科學》雜誌上發表的一篇文章中提到，水的結構其實並不是這麼簡單，水具有一些量子效應。
在經典的圖像中，簡單的水就是兩個氫和一個氧，即使給它加熱、加一些擾動，它還是這種構型。
但是，如果用更精確的手段分析，我們會發現氫原子在空間中有一定的位置漲落，也就是説它沒有確定的位置，而是有一些概率上的分佈。
氫原子的空間漲落現象會對水的結構和性質產生非常大的影響，包括氫鍵相互作用，從而使水展現出一些非常反常的特性。
舉一個例子來看，如果我們不考慮氫原子在空間上的量子效應，那麼我們體內的很多化學反應可能根本就不會發生，或者説至少會減慢1000倍以上。
所以，如果沒有水的量子效應，我們人可能就不存在，所有的生物也會不存在。
在我們這個工作出來之後，有很多商家推出了一些“量子水”，據説是對我們健康有益的一種水。
單個水都這麼複雜了，那麼水和水放在一塊兒，它的結構是不是更加複雜呢？
水和水之間存在着一種相互作用，這種相互作用叫氫鍵。
什麼是氫鍵？
水裏面的氧帶負電、氫帶正電，把水分子放在一塊的時候，帶正電的氫和帶負電的氧會產生相互吸引作用，這個相互吸引作用就是氫鍵。
好比把一個水分子當作是一個人，就像人和人手拉手，就變成了水的網絡結構。
氫鍵有很多很奇怪的特性。比如，它有協同性，如果我和另一個人的牽手狀態發生變化，那麼會影響周圍一堆人的狀態也發生變化。
氫鍵還有靈活性。如果我把手放開，那麼我會很容易地和另外一個人牽手，所以它有一個非常奇怪、非常靈活的特性。
另外，氫鍵還有方向性。氫鍵總是氫指向氧才能成鍵，如果氫指向氫、或者氧指向氧，就不會形成這個鍵。
這三種特性導致水會形成非常複雜的網絡結構，稱為氫鍵網絡。
水的三種物相
大家都熟知水有三種物相。
在低温的時候它是固體、是冰相，冰相里面的水分子都規規矩矩地排在自己的位置上，形成一個規則的、有序的網絡結構。
如果把冰稍微升高一點温度，它就會融化，融化之後這些水分子就待不住了，會跑到別的地方去，甚至還會跑到間隙位置，所以就變成無序的液態結構。
在液態的情況下，水分子是沒有任何規律、沒有任何週期性、完全無序的狀態。
如果再進一步升温，水分子和水分子之間就會逐漸遠離，它的鍵會被打斷，最後變成沒有任何相互作用的氣態。
液相可以説是目前為止水裏面最複雜的一個相，沒有任何的理論和實驗能夠回答液相的結構到底是什麼。
在過去幾十年間，有若干的實驗和理論試圖去解答這個問題，提出了很多的模型，比如四面體模型、拼成鏈狀的繩圈模型、完全無規的混亂模型，但是沒有一種模型能夠給出滿意的答案。
似乎商家已經解決了這個問題，他們已經知道液態水的結構到底是什麼，或者是説能夠通過某種手段讓液態水裏的水分子聚成小團，然後讓這個小團更容易通過我們的細胞膜被人體吸收，促進新陳代謝。
那麼我們怎麼辦？
最直接的辦法是看到水分子，能夠知道水分子在什麼地方，它怎麼排列成網絡結構，它有幾個水分子在這個網絡裏面，這就是我研究水的初衷。
第一次看到單個水分子的實空間圖像
為了看到水分子，我們不能用大家常見的光學顯微鏡，因為它的分辨率遠遠不夠，所以這裏要介紹一下掃描隧道顯微鏡，簡稱是STM。
掃描隧道顯微鏡由兩位瑞士的科學家Bining和Rohrer在1981年發明，他們因此獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。他們用這個顯微鏡可以看到表面的原子結構，這在當時來説是非常了不起的一個成就。
在表面進行掃描的時候，根據電流的變化就能把表面的原子起伏成像出來。所以説，實際上我們並不是真正看到原子，而是把它感知出來。
實際上算了一下，針尖最尖端的直徑應該是頭髮絲的千分之一，這個大小在光學顯微鏡下是完全看不見的。
打一個形象的比喻，針尖就好像是龍捲風後面大塊的雲，但恰恰最尖端的一些原子和分子才是得到高分辨率圖像的最重要因素。這個圖像非常貼切地反映出針尖的真正形狀。
除了低温以外，我們還必須把STM放在一個真空度非常高的環境，真空度的大小可以比擬宇宙中的真空度。這樣能夠把分子牢牢地抓在表面，不讓它到處運動。
此外，由於真空度非常高，周圍大氣環境中的分子不會對水分子產生干擾。
在這麼純淨的環境下，我們終於可以第一次看到單個水分子的實空間圖像，可以看到很多V型結構。
如果把水的結構疊上去，看到的微型結構跟水的骨架完全一致，不只是鍵角一致，包括鍵長也完全匹配。
這是人類第一次能夠清晰地看到水分子的結構圖像。
比如説，右邊是黑洞的圖像；左邊這個實際上是水分子。
這兩種物質的尺寸大概有20個量級以上的差別。我們不得不感慨自然界竟然這麼精巧，兩種尺度相差這麼大的物質，在圖像上竟然是這麼的一致。
“冰”的邊界
我們既然能看到單個水分子，那麼我們能幹什麼呢？
我們就能去慢慢地玩它、可以養它、也可以拍它。
如果你去南極或者北極，在海面上有非常多的厚厚的冰層。這種冰層實際上是成千上萬的水堆在一塊兒形成的物質。
那能不能把這麼厚的冰層一層一層地減薄，最後減到單層冰。單層冰的結構是什麼樣的？它是怎麼長出來的？這會影響我們理解厚冰層的生成。
終於有一天，我們做成了這件事情。這個工作在今年（2020年）年初剛剛發表在《自然》雜誌上。
我們看到了單層冰的高分辨原子結構圖像，可以看到它是一個蜂窩狀的結構，跟我們熟知的石墨烯蜂窩狀結構一模一樣，所以我們稱它為類石墨烯結構。
舉個例子來看，對於鋸齒狀的邊界，我們發現它首先在一個位置長出一個五圓環，然後五圓環再進一步延拓，長成一串的隊列式五圓環，但是這些五圓環中間有一些空隙。
怎麼辦呢？水分子非常聰明，它能夠直接嵌到這些空隙裏面，把這些五圓環橋接在一塊兒，像搭橋一樣，最後把它變成最初始的六圓環狀態，這就完成了一次生長。
這就是我們在顯微鏡下面看到的冰的真實生長狀態。
這是其中一個例子。我們做了一個看起來上面、下面一樣的材料，但實際上我們已經對這個材料的上下兩部分做了特殊的塗層處理，上面是抑制結冰的塗層，下面是促進結冰的塗層。
把這個材料放在水蒸氣下面，然後降到低温狀態，水就開始在表面凝結、結冰。
上面的塗層上長出的是非常粗糙的顆粒狀的冰，下面的塗層上長出的是非常平整的冰層。這時候拿風一吹，上面這種冰粒很容易就被吹掉了，但是下面的冰層會牢牢地吸在表面上，怎麼吹都不掉。
比如研究冰層、大氣中冰雨的形成。
剛才講的是純水，但實際上水跟別的物質也會發生很有意思的相互作用。
其中一個相互作用稱為“離子水合”。這個詞聽起來非常陌生，但是我舉個例子大家一定會覺得非常熟悉。
如果我們把一勺鹽直接倒在水裏，再晃一晃，這個鹽很快就沒有了，因為鹽都溶解在水中了。
鹽為什麼會溶解？從微觀上看大概是這麼回事：鹽是氯化鈉，是由氯和鈉組成的晶體，把氯化鈉泡在水裏，水分子會慢慢地把鈉和氯兩種離子拽走，同時水分子會包裹在被拽走的離子周圍，這樣就形成一種團簇結構，這個團簇結構就是離子水合物，這個過程我們稱為離子水合過程。
我們在顯微鏡下面能夠清楚地看到，由一個水和一個離子形成的水合物，兩個水跟一個離子，三個水、四個水等不同數目的水分子可以跟一個離子形成千奇百怪的結構，而且它的構型也非常有意思。
實際上，想看到鹽水沒那麼容易。
一般情況下，我們把鹽放在水裏面來溶解成離子水合物，但是對於我們來説這種辦法是不行的。
我們必須要用針尖人工造出單個離子水合物，這樣才能讓成像變得簡單。
所以我們設計了一個非常有意思的辦法，可以用針尖模擬水溶解離子的過程，人為地造出含有不同數目水分子的離子水合物，然後再去進行拍照。
除了看到水的狀態之外，我們還發現當離子周圍包裹了特定數目水分子的時候，這個離子水合物可以在表面非常快地擴散，這就是非常有意思的幻數效應。
人體吸收離子的時候，離子必須要穿過離子通道才能被人體吸收，但是離子通道本身非常狹窄，它是一個原子尺度的通道。
很反常的是，實際上離子能夠非常高效地通過離子通道。
我們的工作實際上提供了一種非常有趣的理解，是不是在離子通過通道的時候，它周圍包裹了特定數目的水分子，水分子可以幫助離子高效地通過離子通道。
水——潛在的清潔能源
最後，我想和大家聊一聊能源的事情。
之前我們都是在用顯微鏡看水，那我們能不能操控水呢？
答案肯定是可以的。
我們可以讓水分解，把它的氫氧鍵打斷，讓水變成氫氣和氧氣。
產生氫氣的意義是什麼？氫氣是一種非常清潔、非常高效的能源，氫氣燃燒可以產生極大的能源。
同時，氫氣燃燒之後變成水，水又可以分解成氫氣，這樣可以形成可循環的清潔能源，而且在這個過程中不會產生任何污染。
如果我們有一個辦法，能把水高效地分解成氫氣和氧氣，世界的能源問題就被解決了。
初中化學就教給了我們分解水的方法。直接往水裏通電，水就變成氫氣和氧氣了，這是很簡單的一個過程。
但這個過程不可能用來商業化，不可能用來產生能源。
因為電極材料很昂貴，用的是鉑材料，此外必須要消耗非常巨大的電能。所以人們就想一切辦法來突破這兩個瓶頸。
最近我們發現對二硫化鉬進行一些特殊的處理之後，它的水解效率可以跟鉑比擬，但是還不能完全跟鉑匹配。這説明經過一系列努力，我們有可能找到這樣的材料來替換昂貴的鉑電極。
有很多的科學家也在往這個方向努力。比如説，設計一些特殊的催化劑和混合液相反應，讓水不需要通電就直接分解成氫氣。但是很遺憾的是我們必須要對它進行一定的加熱，加熱也要耗能。
我們可以藉助太陽光。太陽光有很大的能量，如果把催化劑泡在水裏面，在太陽光照射下水自動分解成氫氣和氧氣，那豈不是一件非常令人高興的事情。
但是很遺憾的是，光解水的效率目前還很低，還需要進一步的提升和優化。
實際上，水在我們生命體裏也是非常重要的物質。沒有水，蛋白質不可能摺疊；沒有水，人體內的化學反應也不會發生，人就不會存在。
科學家們用了最先進的實驗和理論模擬手段，試圖深入到原子和分子尺度，希望通過高分辨的研究能夠揭示更多水的奧妙，讓水更好地為人類服務，造福人類。
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