科学家也吃瓜,并放出了水分子N角关系的实锤

作者: 犀牛

来源: 把科学带回家

发布日期: 2020-05-05

科学家研究水分子之间的微观结构和氢键作用,探讨其如何影响水的物理特性,如密度、比热容和表面张力,以及这些特性如何解释水的反常行为。

科学家也吃瓜,不过和我们守网待瓜不同,他们都是朝着一个方向主动出击、千里追瓜。水分子之间的关系,就是科学家要追的一个瓜。尽管水是我们再熟悉不过的事物,也是生命的基础,但我们至今还没能完全理解水,其中水分子CP的瓜,也没能吃的特别明白。

水分子之间的关系,是以氢键相互作用来实现的,也因此形成了扑朔迷离的结构。我们眼中无形的水,并非真的无形。这些结构决定了水一系列反常的特性:水在4℃的时候密度最大,冻成冰后的密度反而比水要小,也正是这个原因,冰封湖面下的游鱼才能安然过冬;水的比热容比其他常见物质的可能都大,升温难、降温也难,所以水体周围的温差就不是很 大;水是汞以外表面张力最大的,这对动植物体内的水分和营养运输至关重要。

那是什么样的微观结构赋予了水这些特性的?水分子们是两两结对、三人成行,还是雨露均沾?经典的模型认为,液态水的微观结构和最常见的冰类似。几乎我们看到的所有冰有着同样的微观结构,即每个水分子都和其他4个水分子以同等的氢键结合,就像是自己伸出两只手,同时又握住伸来的另两只,最终形成立体的网络,这种结构被称为冰“Ice Ih相”。

但近年来的研究并不完全赞同这种经典的四面体模型。2004年,斯坦福大学 Anders Nilsson 教授领导的课题组在《science》发表了一项研究,他们利用X射线吸收光谱等方法研究了水分子的排列方式,结果表明,无论在室温还是90℃的高温,大部分水分子周围并没有像预期的那样结合4个水分子,有80%~85%的水分子周围比较紧密结合的是2~3个水分子,其中只有2根比较强的氢键。

平常状态下水分子之间的关系变化可能也不大了,为了吃新的瓜,科学家要给水分子们加把火。他们给水分子们换了环境,比如研究高压下的水分子。原本1个水分子和4个握手形成氢键,压力增大后,变成了和12个握手!虽然这对于水分子来说有些异样,但其实这差不多就是一般的液体结构。

但在这些芸芸水分子中吃瓜磕cp,也已经满足不了一些科学家了,他们要磕这其中一些显得特别的CP——水分子簇,也就是两个或两个以上水分子形成的聚集体。这可能用来解释水的一些反常性质,比如为什么不完全遵守热胀冷缩的规律。

之所以水分子的关系如此令人迷惑,关键就是分子间形成的氢键,说强不强、说弱不弱;而氢键的强弱,不只与形成氢键的两个当事水分子有关,还会与周围其他的水分子有关,甚至隔了好几个水分子依然有影响。

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