"水"的真面目

發表時間:2019/9/11 9:10:14  
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水是自然界中最豐富、人們最為熟悉的物質之一。水的成分如此簡單,H2O,平平無奇。但事實上,人類從未能認識水的真正面目。《科學》雜志在創刊125周年時,曾總結了當今世界125個最具挑戰性的問題。其中之一就是:“水的結構是什么?”

我們從未見過它的真面目,直到一群科學家拍了張照片

水。圖片來源:Pixabay

古希臘的先哲們曾把“水”列為組成自然界的四大元素之一。這一認識持續了兩千年,直到18世紀,英國科學家卡文迪許發現了將氫氣和氧氣點燃可以產生水,于是人們知道了水不是單一的“元素”,而是一種化合物。氫氣“hydrogen”這個單詞就源于希臘語,意思是“水的前身”。

隨后學者們逐漸確定了水中氧和氫的比例,1811年阿伏伽德羅寫下了反應方程:2H2+O2→2H2O。此后又過了80年,化學家阿倫尼烏斯提出了水可以電離為一個氫離子和一個氫氧根離子,即H2O→H++OH-。后來人們又對此進行了修正,水的電離是兩個水分子生成一個水合氫離子和一個氫氧根離子,即2H2O→H3O++OH-

關于“水”下一次認知飛躍是氫鍵。在1902年,德國化學家Werner在描述氯化銨結構時,首次提出了氫鍵的概念,隨后學者們發現了水中存在著氫鍵。簡單來講,當一個水分子中的氧原子和另一個水分子中的氫原子靠近時,就會產生電荷的吸引,而這種吸引力就是氫鍵。因為氫鍵的存在,水分子間的作用力大大增強,不容易被破壞,因此水也就具有了更高的熔點(0℃)和沸點(100℃)。得益于此,地球上才能大量存在液態水,從而孕育生命。

我們從未見過它的真面目,直到一群科學家拍了張照片

水的氫鍵結構模型。圖片來源:Wikimedia Commons

2013年中科院國家納米科學中心的實驗團隊,通過非接觸原子力顯微鏡實現了氫鍵的空間成像,也就是 “拍”到了氫鍵的“照片”,為“氫鍵的本質”這一化學界曠日持久的爭論提供了直觀證據。

時隔一年之后,同樣是來自中國的團隊真正“看到”了水分子。給水分子拍照不是一件容易的事,因為它實在是太小了,尺寸僅有發絲的百萬分之一。在液態情況下,水分子運動也非常快,難以捕捉。2014年,江穎和王恩哥團隊利用氯化鈉薄膜基體作為襯底,讓水分子吸附在鹽的表面,從而成功拍攝到了水分子的內部結構。此外,他們還拍到了由4個水分子組成的水團簇,成功解析出了水團簇的微觀氫鍵構型。

我們從未見過它的真面目,直到一群科學家拍了張照片

(a) qPlus型原子力傳感器的實驗裝置圖;(b) 具有電四極矩電荷分布的一氧化碳針尖與強極性水分子之間的高階靜電力。

除了單個水分子,人們對水與其他物質的相互作用也同樣感興趣。最常見的作用形式就是離子的水合過程。水作為溶劑,能使很多鹽發生溶解,而且能與溶解的離子結合在一起形成團簇,也就是水合離子。生命體內中的很多生理過程都有水合離子的參與。早在1900年德國物理化學家沃爾特·能斯特就提出了水合離子的概念,但經過了一百多年,學界對水合離子的認識仍然有限。

2018年,江穎和王恩哥團隊再次取得突破,首次得到了水合鈉離子的原子級分辨圖像。為了“看到”水合離子,首要做的是要獲得單個樣品。研究人員用尖銳的金屬針尖在氯化鈉薄膜表面移動,吸取到單個的鈉離子,然后再“拖動”水分子與其結合。由此得到了含有不同數目水分子的單個“水合鈉離子”。

有了離子水合物,要對其進行高分辨成像,同樣困難重重。離子水合物屬于弱鍵合體系,實驗中的金屬針尖很容易對其造成擾動。因此,研究人員發展了一種非侵擾式的成像技術,依靠極其微弱的靜電力來掃描成像,從而成功獲得了原子級分辨成像。這是人類首次直接“看到”水合離子的原子級圖像。

我們從未見過它的真面目,直到一群科學家拍了張照片

鈉離子水合物的亞分子級分辨成像。從左至右,依次為五種離子水合物的原子結構圖、掃描隧道顯微鏡圖、原子力顯微鏡圖和原子力成像模擬圖。圖像尺寸:1.5 nm ×1.5 nm。

在研究離子水合物的動力學輸運性質過程中,科學家還發現了一種有趣的“幻數效應”:在氯化鈉的表面,3個水分子與一個鈉離子結合形成了水合離子,其運動速度極快,比其他的水合物要快10-100倍。這種幻數效應來源于離子水合物與表面晶格的對稱性匹配程度。簡單來說,就是含有3個水分子的離子水合物,由于對稱性與襯底不匹配,不容易被氯化鈉晶體表面“卡住”,從而可以快速移動。

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鈉離子水合物在NaCl表面輸運的幻數效應效果圖,其中包含3個水分子的鈉離子水合物具有異常高的擴散能力(“幻數”為3)。

這一工作不只把水合相互作用的研究精度推向了原子層次,也刷新了人們對于離子輸運的認識,未來能夠推動電池、腐蝕、海水淡化等領域的發展。

我們從未見過它的真面目,直到一群科學家拍了張照片

水分子使氯化鈉(NaCl)溶解形成離子水合物。

(作者:圓的方塊)

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