2.给水分子照个相

时至今日，人类对于水的认识还在继续深入。比如说，我们只知道水是由两个氢原子和一个氧原子构成的，科学研究发现，水的一个分子的质量大约是3×10^-26kg。但是水分子到底长什么样？它们又是如何形成水分子的？这是人类肉眼无法观察到的。水作为地球上生命之源，其独特的氢键结构也一直让科学家们难以解释。

过去，人们对于水的研究，只是依靠简单的实验设备，如今的研究，早已深入到分子级别，因此，实验设备和手段都需要新的突破。

电解水实验

2014年1月16日《人民日报》报道：我国科学家在世界上首次拍摄到了水分子的内部结构，使得在实验中直接解析水的氢键网络构型成为可能。这一科研成果已于2014年1月5日在世界权威科学杂志《自然—材料学》上全文在线发表。

该报道还说，给水分子拍照不是一件容易的事，因为它实在是太小了，直径只有一根头发丝的百万分之一，而且在液态情况下，水分子运动非常快。拍照的第一个难题，就是给它选择一个合适的衬底。

该文章发表以前，世界各国的科学家拍到的水分子照片，最多只是模糊的外形——“一个没有任何内部结构的圆形凸起”。这次我国科学家选取了金属表面生长的绝缘薄膜（氯化钠）作为拍摄的衬底，让水分子吸附在盐的表面进行观察，这大大减小了水分子和衬底之间的耦合，从而使水分子本征的轨道结构得以保留。

水分子照相图

拍摄水分子内部结构的另外一个挑战，就是单个水分子的信号强度异常微弱，对实验仪器的精度要求非常高。北京大学的江颖课题组和王恩哥课题组紧密合作，通过论证和探索，成功地把亚分子级分辨成像和操控技术应用到水科学领域，开创性地把扫描隧道显微镜的针尖作为顶栅极，以皮米（pm，1pm=1×10^-12m）的精度控制针尖与水分子之间的距离和耦合强度，调控水分子的轨道态密度在费米能级附近的分布，从而大大提高了成像的信噪比，捕捉到水分子更清晰的面貌。基于高分辨率的水分子图像，研究人员还可以进一步确定水分子在表面上的取向。

以前，科学家们知道，水分子是由氢键相连的，氢键的构型和方向性决定了水的很多特性。如何在微观上确定水的氢键网络构型是水科学领域的关键科学问题之一。如果能拍摄到水分子的内部结构和空间取向，将使得在实验中直接解析水的氢键网络构型成为可能，这是很多实验科学家梦寐以求的事情。我国科学家不仅拍摄到单个水分子的结构，还拍摄到了由4个水分子组成的水团簇，通过高分辨率的轨道图像首次成功解析出了水团簇的微观氢键构型。他们还发现，水分子之间通过氢键连接的时候，还存在着一定的方向性。结合第一性原理计算，研究人员发现以往报道的盐表面的水分子团簇都不是最稳定的构型，并提出了一种全新的四聚体吸附结构。

开展这种研究有什么意义呢？据课题组相关负责人介绍：这些都有助于人们认识和改变水的特性，以便使水在现实生活和生产中应用更加广泛。譬如，大家现在比较关注的雾霾PM2.5粉尘污染，本质上它是一个微米（即1m的百万分之一，1μm=1×10^-6m）级的粉尘，作为大气中一种凝结核，外表面通常会包裹着一层水。利用上述的水分子高分辨率成像技术，如果能够把不同类型粉尘表面的微观水结构解析出来的话，将有可能启发环境科学家们有针对性地采取一些化学或物理的办法，增强粉尘外面水蒸气的凝结，或者促进粉尘之间的相互聚合，从而使得PM2.5粉尘能够直接沉降到地面。

又如海水淡化技术的提升，未来从水中提取能源，实现空中远距离调水，以及我们今天还想象不到的一些对于水的利用途径等，都需要我们对水有一个更为全面、深入的了解和把握。因此，给水分子照个相，其意义就非同一般了。

水分子团簇结构示意图