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“把科学带回家” 供给

撰文 犀牛

前段时刻网上的瓜呈集合性迸发，想必咱们铺开吃了不少。

科学家也吃瓜，不过和咱们守网待瓜不同，他们都是朝着一个方向主动出击、千里追瓜。

水分子之间的联系，便是科学家要追的一个瓜。尽管水是咱们再了解不过的事物，也是生命的根底，但咱们至今还没能彻底了解水，其间水分子CP的瓜，也没能吃的特别理解。

水分子之间的联系，是以氢键相互作用来完成的，也因而构成了错综复杂的结构。咱们眼中无形的水，并非真的无形。

这些结构决议了水一系列失常的特性：水在4℃的时分密度最大，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干安定过冬；水的比热容比其他常见物质的或许都大，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养分运送至关重要。

那是怎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，仍是雨露均沾？

经典的模型认为，液态水的微观结构和最常见的冰相似。简直咱们正真看到的一切冰有着相同的微观结构，即每个水分子都和其他4个水分子以平等的氢键结合，就像是自己伸出两只手，一起又抓住伸来的另两只，终究构成立体的网络，这种结构被称为冰“Ice Ih相”。不过在前面的“简直”之外，冰还有别的18种微观结构。

Ice Ih相

但近年来的研讨并不彻底附和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》宣布了一项研讨，他们运用X射线吸收光谱等办法研讨了水分子的摆放办法，成果表明，不管在室温仍是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，其间只要2根比较强的氢键。

由此他们提出，液态水中，最重要的结构办法应该是相似锁环或绳圈的结合形式。这个模型向100多年来的经典模型发起了应战，引发了广泛争议。

绳圈模型

5个月之后，《science》杂志就刊登了另一篇不同成果的论文，这次是加州大学化学系的 Saykally RJ 教授。他用相同的办法，对-22℃的过冷水到15℃的液态水进行了研讨，最终得出结论，Nilsson 教授观察到的实际上氢键解离时的暂时结构，假如放在更长的时刻均匀来看，经典模型仍然是合理的。

但Nilsson 教授明显没有被彻底压服，2008年宣布他们更为精密的研讨成果，他们都认为经典的四面体结构和绳圈结构会快速转化，但后者更重要。后续有科学家指出在常温液态水中两种结构存在的份额差不多，但温度下降会使绳圈结构转变为四面体结构，而这种转化或许与水在4℃左右密度最大的这类失常性质有关。这场争辩仍然在继续，不过科学便是这样，咱们拭目而待。

往常状态下水分子之间的联系改变或许也不大了，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，比方研讨高压下的水分子。本来1个水分子和4个握手构成氢键，压力增大后，变成了和12个握手！尽管这关于水分子来说有些异常，但其实这差不多便是一般的液体结构。

和12个水分子构成氢键的紊乱氢键结构模型

但在这些芸芸水分子中吃瓜磕cp，也现已满意不了一些科学家了，他们要磕这其间一些显得特别的CP——水分子簇，也便是两个或两个以上水分子构成的集合体。这或许用来解说水的一些失常性质，比方为啥不彻底恪守热胀冷缩的规则。

水分子簇开始是在实验室中特定的条件下发现的，而发现的也不是最简略的二聚体，是六聚体。科学家运用红外光谱对液氦中的水分子簇进行了研讨，发现了6个水分子构成的环状三维结构。后来发现的水分子六聚体的三维结构多种多样，有棱柱状、笼状和册页状等。七聚体只要笼状结构，八聚体除了笼状，还有环状结构。

棱柱状六聚体

乃至还发现了由100个水分子和280个水分子构成了一个嵌套的20面体结构。理论模型还猜测了有700多个水分子构成的水分子簇，不过现在还没有实锤。

设想的由100个水分子组成的二十面体水分子簇和根本结构

之所以水分子的联系如此令人利诱，要害便是分子间构成的氢键，说强不强、说弱不弱；而氢键的强弱，不只与构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，乃至隔了好几个水分子仍然有影响。

不由想起那句老话：成婚不是两个人的工作，是两个家庭的工作……

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