水分子|对科学家而言，水为什么被称为自然界最复杂的物质之一？( 二 )
举一个例子来看 ， 如果我们不考虑氢原子在空间上的量子效应 ， 那么我们体内的很多化学反应可能根本就不会发生 ， 或者说至少会减慢1000倍以上 。
所以 ， 如果没有水的量子效应 ， 我们人可能就不存在 ， 所有的生物也会不存在 。
在我们这个工作出来之后 ， 有很多商家推出了一些“量子水” ， 据说是对我们健康有益的一种水 。
但是我要说的是 ， 此量子可能非彼量子 ， 大家手里拿的每一瓶水可以说都是量子水 ， 因为量子效应是水本身的一种属性 ， 所以这是一个概念炒作现象 。
单个水都这么复杂了 ， 那么水和水放在一块儿 ， 它的结构是不是更加复杂呢？
水和水之间存在着一种相互作用 ， 这种相互作用叫氢键 。
什么是氢键？
水里面的氧带负电、氢带正电 ， 把水分子放在一块的时候 ， 带正电的氢和带负电的氧会产生相互吸引作用 ， 这个相互吸引作用就是氢键 。
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 。
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 。
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 。
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 。
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 。
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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