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？( 三 )
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 。
STM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 。
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 。
这是我们实验室的两台扫描隧道显微镜 ， 或者称为扫描探针显微镜 。
为了看到水分子 ， 一般的扫描隧道显微镜还不行 ， 我们必须要把它降到零下260多度 ， 这已经非常接近绝对零度 。
除了低温以外 ， 我们还必须把STM放在一个真空度非常高的环境 ， 真空度的大小可以比拟宇宙中的真空度 。 这样能够把分子牢牢地抓在表面 ， 不让它到处运动 。
此外 ， 由于真空度非常高 ， 周围大气环境中的分子不会对水分子产生干扰 。
在这么纯净的环境下 ， 我们终于可以第一次看到单个水分子的实空间图像 ， 可以看到很多V型结构 。
如果把水的结构叠上去 ， 看到的微型结构跟水的骨架完全一致 ， 不只是键角一致 ， 包括键长也完全匹配 。
这是人类第一次能够清晰地看到水分子的结构图像 。
但是 ， 有些时候看到是一种比较奇怪的水分子图像 。
比如说 ， 右边是黑洞的图像；左边这个实际上是水分子 。
把水分子放上去 ， 我们会发现它并不是水分子的骨架 ， 而是水分子周围的电子产生的电子云 。 亮的地方电子比较多 ， 暗的地方电子比较少 ， 所以就形成一个可以说是跟黑洞一模一样的图像 。
这两种物质的尺寸大概有20个量级以上的差别 。 我们不得不感慨自然界竟然这么精巧 ， 两种尺度相差这么大的物质 ， 在图像上竟然是这么的一致 。
“冰”的边界
我们既然能看到单个水分子 ， 那么我们能干什么呢？
我们就能去慢慢地玩它、可以养它、也可以拍它 。
第一件事情 ， 我们想看一看冰到底长什么样 ， 冰到底是怎么长出来的 。 这是一个非常基础的概念 ， 但是实际上没有人知道究竟是怎么回事 。
如果你去南极或者北极 ， 在海面上有非常多的厚厚的冰层 。 这种冰层实际上是成千上万的水堆在一块儿形成的物质 。
那能不能把这么厚的冰层一层一层地减薄 ， 最后减到单层冰 。 单层冰的结构是什么样的？它是怎么长出来的？这会影响我们理解厚冰层的生成 。
终于有一天 ， 我们做成了这件事情 。 这个工作在今年（2020年）年初刚刚发表在《自然》杂志上 。
我们看到了单层冰的高分辨原子结构图像 ， 可以看到它是一个蜂窝状的结构 ， 跟我们熟知的石墨烯蜂窝状结构一模一样 ， 所以我们称它为类石墨烯结构 。
除此之外 ， 它的边界实际上比蜂窝状结构更为复杂 ， 因为它不光有六圆环组成的锯齿状边界 ， 此外还有五圆环、七圆环等拼起来的复杂边界 ， 我们称它为“扶手椅”边界 。
看到这个边界以后 ， 我们能对它的边界生长状态进行拍照 。
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