你知道水的原子极限是什么吗?中国科学家告诉你真实的答案

你知道水的原子极限是什么吗?中国科学家告诉你真实的答案

水是生命之源,地球面积的71%是海洋,地球之所以能有丰富多彩的生命,跟水的大量存在是紧密相关的,而人类在探索宇宙寻找地外生命的时候,也把一颗星球是否有液态水做为首要条件,只要发现了有液态水存在的星球,就会引起科学家的高度关注,意味着这颗星球可能有生命的存在。

水是地球上最丰富,同时也是人们最熟悉的物质,人们的日常离不开水,我们平时要补充大量的水分,人们的身体也需要水。可能很多人说,我们对水太熟悉了,每天都接触,人们真的了解水吗?越是简单的东西,往往越难了解,而水就是这样,水或许在普通人眼里就是很熟悉,很简单的物质,但在科学家眼里,水却是人类最不了解的物质之一。

水之所以如此复杂,一个重要的原因就是氢(H)原子核的量子效应。水的分子结构很简单:H2O,而H是元素周期表中最轻的原子。一般来说,如果原子核较重,可以近似地把它处理为经典粒子,只需把电子量子化,从而对其进行研究——但这种方法套用在H这种“近似电子重量”的原子核身上,就失效了。

此外,水与其他物质的相互作用同样十分非常复杂。北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖说,由于水是强极性分子,它作为溶剂能使很多盐发生溶解,而且能与溶解的离子结合在一起形成团簇,此过程称为离子水合

离子水合这个过程可以说是无处不在的,它在很多的物理,化学,生物等领域都扮演着重要的角色,像一些物体的溶解,电化学的反应,生物体内的离子转移,大气污染,海水淡化等。可以说,离子水合在我们的众多领域都时不时得发生着。

对于离子水合的研究早在100年前就开始了,那个时候的科学家已经发现了离子水合的存在,但可惜经过100多年的研究努力,离子的水合壳层数、各个水合层中水分子的数目和构型、水合离子对水氢键结构的影响、决定水合离子输运性质的微观因素等诸多问题,至今仍没有定论。

关键的原因是缺乏单原子、单分子尺度的表征和调控手段,以及精准可靠的计算模拟方法。不过近年来,我国科学家王恩哥,江颖与同事、学生一起合作,发展了原子水平上的高分辨扫描探针技术和针对轻元素体系的全量子化计算方法,在水/冰的结构和动力学研究中得到了成功的应用,通过实验和理论的深度融合,刷新了人们对水和其他氢键体系的认知。

王恩哥表示,经过中国科学家20多年的持续投入、4个课题组的紧密合作,终于在实验上制备出的单个离子水合物团簇,并通过高分辨成像搞清楚了其几何吸附构型。

在此基础上,研究人员还发现了一种有趣的幻数效应:包含有特定数目水分子的钠离子水合物,具有异常高的扩散能力——说白了就是比其他水合物“跑得快”。

我国对于水的原子极限的最新研究成果,对于人类的众多领域的发展将有非常重要的意义,未来会应用到离子电池,电化学反应,海水淡化,环境污染等,甚至在未来的太空领域的应用上也将有重要作用。

对于水这种我们常见的物质的研究,我国走在了世界前列,但水这种物质并不是那么简单的,宇宙中很多的星球都有水的存在,而不同的星球上,水这种物质可能会有所不同,地球上的水我们可以直接饮用,外星球上的水可能对于人类来说可能会有毒。

只有对水有着深入的了解,完全破解了水的微观世界的终极秘密,我们才能在未来的星际移民中对外星球的水有着更深入的了解,才可以将外星球不适合人类饮用的水经过处理变为适合人类使用的水。

人类的未来是星辰大海,人类的脚步必然踏遍银河的每一个角落,而有水的星球也会被大量发现,那时我们会发现,外星球的水可能真的得地球不一样,看似一样的外表下,内在是完全不同的,只有通过水内部的微观世界才能发现其奥秘。