新浪科技综合@这种物质虽然司空见惯，但我敢说真的没人了解它新浪科技综合2020-07-28 15:20:000阅( 二 )
【新浪科技综合@这种物质虽然司空见惯，但我敢说真的没人了解它新浪科技综合2020-07-28 15:20:000阅】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 。
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图10/38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 。
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图11/38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 。
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图12/38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 。
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图13/38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 。
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图14/38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 。
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图15/38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 。
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图16/38STM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 。
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图17/38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 。
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