科学界对于水的研究已经透彻了吗？
科学界对于水的研究，用“透彻”来形容，恐怕还为时尚早。事实上，尽管水在我们日常生活中无处不在，其看似寻常的外表下，却隐藏着极为复杂且充满未解之谜的内在世界。科学家们对水的探索，更像是一场永无止境的寻宝之旅，每一次的发现都可能打开新的认知大门。
首先，让我们从水的分子结构说起。水分子（H₂O）由一个氧原子和两个氢原子通过共价键连接而成。这听起来简单，但这个小小的结构却赋予了水非同寻常的性质。氧原子比氢原子更具电负性，导致电子云向氧原子偏移，使得水分子呈现出“极性”，一端带有正电荷，另一端带有负电荷，就像一个微型磁铁。
正是这种极性，促成了水最关键的特性之一：氢键。水分子之间，一个水分子的氧原子会与另一个水分子的氢原子产生一种弱但数量庞大的吸引力，这就是氢键。正是这些氢键，使得水分子能够像搭积木一样相互连接，形成一种动态的、不断变化的“水合网络”。
关于氢键，科学家们至今仍在深入研究。例如，氢键的键能、键长、键角以及它们在不同温度和压力下的动态变化，都对水的宏观性质产生了深远影响。我们知道，水的沸点和熔点相对较高，这很大程度上归功于氢键的强大作用力。但即使是这个我们熟知的现象，其背后的量子力学机制和能量平衡，科学家们仍在精细地描绘。
水的相变，也就是固态（冰）、液态（水）和气态（水蒸气）之间的转化，也是一个充满挑战的研究领域。特别是冰，我们以为对它了如指掌，但实际上，科学家们已经发现了十几种不同的冰晶型，它们在压力和温度变化时可以相互转化，而且每种冰的结构和性质都有其独到之处。例如，在极高的压力下，冰可以形成完全不同于我们常见六边形冰的结构，这些“奇异冰”的发现，不断刷新着我们对物质相变的认知。
而液态水的性质，更是复杂到令人咋舌。为什么液态水的密度在4℃时达到最大？为什么它在结冰时密度反而会变小？这与水分子氢键网络的排列方式息息相关。当温度升高时，一方面热运动加剧，分子间距增大；另一方面，氢键断裂，分子间的紧密排列反而使得整体体积缩小。这两个效应的博弈，最终在4℃时达到微妙的平衡，使得水的密度最大。然而，这种博弈的精确细节，尤其是在分子层面是如何发生的，科学家们仍然在通过先进的实验技术和模拟手段来细致地探索。
水的异常性质远不止于此。例如，水的比热容非常高，这意味着它需要吸收大量的热量才能升高温度，同时也能释放大量的热量。这对于调节地球气候、维持生命活动至关重要。但为什么水具有如此高的比热容？其背后的微观机制，依然是科学家们深入研究的对象。
此外，水的表面张力、粘滞性、介电常数等一系列性质，都与它的分子结构和氢键网络息息相关。例如，水的表面张力使得水能够“攀附”在物体表面，形成水滴，这也对植物吸收水分、毛细现象等至关重要。
在生物领域，水的作用更是不可或缺。它是所有已知生命的溶剂，许多生化反应都离不开水的参与。水分子如何与生物大分子（如蛋白质、DNA）相互作用，如何影响它们的折叠和功能，如何参与能量传递和信息传递，这些都是生命科学领域最核心的问题之一。科学家们利用光谱学、X射线衍射、核磁共振等技术，试图揭示水在生物体内的微观行为，但即便如此，我们也只是窥见了冰山一角。
近年来，随着量子力学在材料科学和化学中的应用日益广泛，科学家们开始思考，在极其微小的尺度上，水的行为是否会受到量子效应的影响？例如，在纳米尺度下，水的性质是否会发生显著变化？这方面的研究刚刚起步，充满了未知和机遇。
更进一步，关于水的本质，即使是它最基本的化学式H₂O，我们能否完全理解它在各种极端条件下，比如在超高压、超高温、或者在黑洞边缘附近会呈现出怎样的形态和性质？这些问题的答案，不仅能丰富我们对水的认知，更能帮助我们理解宇宙的奥秘。
总而言之，科学界对于水的探索，绝不是已经“透彻”。每一次深入的研究，都如同剥开一层洋葱，里面还有更多层。水的复杂性，体现在其微观的分子结构、动态的氢键网络、以及由此产生的丰富多样的宏观性质。从基础物理到生物化学，再到宇宙学，水无处不在，也无处不被挑战。我们对水的认识，仍在不断深化，未来的研究必将带来更多令人惊喜的发现。
首先，让我们从水的分子结构说起。水分子（H₂O）由一个氧原子和两个氢原子通过共价键连接而成。这听起来简单，但这个小小的结构却赋予了水非同寻常的性质。氧原子比氢原子更具电负性，导致电子云向氧原子偏移，使得水分子呈现出“极性”，一端带有正电荷，另一端带有负电荷，就像一个微型磁铁。
正是这种极性，促成了水最关键的特性之一：氢键。水分子之间，一个水分子的氧原子会与另一个水分子的氢原子产生一种弱但数量庞大的吸引力，这就是氢键。正是这些氢键，使得水分子能够像搭积木一样相互连接，形成一种动态的、不断变化的“水合网络”。
关于氢键，科学家们至今仍在深入研究。例如，氢键的键能、键长、键角以及它们在不同温度和压力下的动态变化，都对水的宏观性质产生了深远影响。我们知道，水的沸点和熔点相对较高，这很大程度上归功于氢键的强大作用力。但即使是这个我们熟知的现象，其背后的量子力学机制和能量平衡，科学家们仍在精细地描绘。
水的相变，也就是固态（冰）、液态（水）和气态（水蒸气）之间的转化，也是一个充满挑战的研究领域。特别是冰，我们以为对它了如指掌，但实际上，科学家们已经发现了十几种不同的冰晶型，它们在压力和温度变化时可以相互转化，而且每种冰的结构和性质都有其独到之处。例如，在极高的压力下，冰可以形成完全不同于我们常见六边形冰的结构，这些“奇异冰”的发现，不断刷新着我们对物质相变的认知。
而液态水的性质，更是复杂到令人咋舌。为什么液态水的密度在4℃时达到最大？为什么它在结冰时密度反而会变小？这与水分子氢键网络的排列方式息息相关。当温度升高时，一方面热运动加剧，分子间距增大；另一方面，氢键断裂，分子间的紧密排列反而使得整体体积缩小。这两个效应的博弈，最终在4℃时达到微妙的平衡，使得水的密度最大。然而，这种博弈的精确细节，尤其是在分子层面是如何发生的，科学家们仍然在通过先进的实验技术和模拟手段来细致地探索。
水的异常性质远不止于此。例如，水的比热容非常高，这意味着它需要吸收大量的热量才能升高温度，同时也能释放大量的热量。这对于调节地球气候、维持生命活动至关重要。但为什么水具有如此高的比热容？其背后的微观机制，依然是科学家们深入研究的对象。
此外，水的表面张力、粘滞性、介电常数等一系列性质，都与它的分子结构和氢键网络息息相关。例如，水的表面张力使得水能够“攀附”在物体表面，形成水滴，这也对植物吸收水分、毛细现象等至关重要。
在生物领域，水的作用更是不可或缺。它是所有已知生命的溶剂，许多生化反应都离不开水的参与。水分子如何与生物大分子（如蛋白质、DNA）相互作用，如何影响它们的折叠和功能，如何参与能量传递和信息传递，这些都是生命科学领域最核心的问题之一。科学家们利用光谱学、X射线衍射、核磁共振等技术，试图揭示水在生物体内的微观行为，但即便如此，我们也只是窥见了冰山一角。
近年来，随着量子力学在材料科学和化学中的应用日益广泛，科学家们开始思考，在极其微小的尺度上，水的行为是否会受到量子效应的影响？例如，在纳米尺度下，水的性质是否会发生显著变化？这方面的研究刚刚起步，充满了未知和机遇。
更进一步，关于水的本质，即使是它最基本的化学式H₂O，我们能否完全理解它在各种极端条件下，比如在超高压、超高温、或者在黑洞边缘附近会呈现出怎样的形态和性质？这些问题的答案，不仅能丰富我们对水的认知，更能帮助我们理解宇宙的奥秘。
总而言之，科学界对于水的探索，绝不是已经“透彻”。每一次深入的研究，都如同剥开一层洋葱，里面还有更多层。水的复杂性，体现在其微观的分子结构、动态的氢键网络、以及由此产生的丰富多样的宏观性质。从基础物理到生物化学，再到宇宙学，水无处不在，也无处不被挑战。我们对水的认识，仍在不断深化，未来的研究必将带来更多令人惊喜的发现。
网友意见
当然不是。就比如说，对于材料的研究，很多时候受限于仪器。所以当有更先进的仪器搭建起来时，就能使得能更加透彻地研究材料。
我的科研项目，就是搭建新的仪器；而且我恰好也用我搭建的新仪器研究了水，并且从一定程度上推动了对水的理解——该工作已经发布于美国科学会会刊（PNAS）上[1]。另外我还知道，我的仪器还可以进一步地改进，从而在未来获得更多的信息。
我搭建的仪器叫做 瞬态和频振动光谱显微镜（Transient Vibrational Sum Frequency Generation Microscopy）。利用这台仪器，我们揭示了水分子在自组装系统中独特的氢键动力学和其对自主装系统的力学性质的影响——这用其它的现存仪器是无法获得的，并且我们还可以进一步开发仪器以获得更多的信息。下面让我来介绍一下我们的这个工作：
首先我来介绍和频振动光谱。和频光谱（Sum Frequency Generation，SFG）技术是一种相干的二阶非线性光学过程，为加州大学伯克利分校的华人教授沈元壤于1987年首次报道。当两束脉冲激光同时照射到同一样品时，会产生频率等于两束入射光之和的光信号，这就是和频光谱信号。
，其中E表示电磁场。而对于一个具有中心对称性的样品，当两束入射光电磁场符号改变时，信号电磁场符号也应该改变。
所以 ，那么就有
因此只有具有非对称中心的样品才会给出和频光谱信号。这样的具有非对称中心的样品包括表面/界面，以及具有非对称中心的生物样品和自组装结构等。当这两束光中有一束是红外光时，这个过程被称作和频振动光谱，可以给出处于非对称中心环境的化学键振动光谱。
比如在空气／水界面，会有一些界面水的OH基团指向空气而不形成任何氢键[2]。这样的氢键被称作Free OH或者dangling OH。用常规的光谱手段（红外光谱或者拉曼光谱）来测量水的信号时，界面水的信号会完全被体相水的信号所掩盖；但是若使用和频振动光谱来研究水，则体相水处于具有对称中心的环境中，从而不会产生信号，所以观测到的信号来源于界面水[3]。
另外的一个例子是研究植物中的纤维素：在植物中，除了纤维素外，还有一种叫做半纤维素的物质。半纤维素与纤维素具有类似的构成，因此使用红外或者拉曼是无法进行区分的。但是利用和频振动光谱进行研究时，半纤维素因为具有随机和非结晶性的结构从而基本没有信号，从而可以实现对植物中纤维素的选择性研究。
通过将和频振动光谱技术与显微镜技术结合（和频振动光谱显微镜），则可以观测到具有非对称中心环境的化学键在空间中的分布，并有利于识别微小信号。
对于瞬态过程，我们先用一束高能量的被称为泵浦（pump）的光来激发样品，随后测量有和没有泵浦时VSFG信号的差值，通过调节泵浦光与VSFG信号之间的延迟时间完成对动力学的测量。我们用这个新搭建的仪器测量了一个分子自组装体系——SDS@2β-CD。我们的实验结论如下：
- 这个自组装体系有三个OH信号，分别在~3050, ~3280和~3400 ，其中～3280 是β-CD的二级羟基的信号，～3400 是β-CD的一级羟基的信号。而这个～3050 ，我们发现其为该分子自组装体系中的强结合水的信号。
- 在泵浦的作用下，动力学过程为～3150 左右有正的信号，而在～3400 附近为负的信号。这个正的信号对应的是水分子与β-CD的二级羟基之间的能量转移过程，并且可以用bi-exponential来拟合。结合氘代实验证实t1对应的是O…O距离的波动，而t2则对应的是氢键通过福斯特共振能量转移过程 （FRET）进行恢复。因为FRET的速率与供体-受体距离以及受体的数目有关，所以t2可以用来描述不同区域水合程度的指标。根据我们的模型，这些自组装区域中的水合程度十分不同：有的自组装区域平均每一个β-CD只有两个水分子，而在离其不远的其他区域则会有六个水分子结合在β-CD（这里的水合程度指的是与β-CD二级羟基形成强氢键的结合水）。以往对SDS@2β-CD的研究表明这个自组装体系中同时具有柔性和刚性。我们的研究表明，这些与自组装体系有强氢键作用的水可能对系统的力学作用起着很大的作用。因为水合程度的不同，各自组装区域的超快的氢键动力学有所不同，而这些氢键可以影响自组装体系的柔性。在另一方面，同一个自组装区域中的氢键动力学是高度一致性，这反映了这个系统的刚性。因此控制水合对未来类似体系的设计可能起到很大的作用。
我们通过搭建世界上第一台瞬态和频振动光谱显微镜，获得了关于水的更多的信息。而关于我们的仪器，我们可以搭建更多——比如我们可以通过对泵浦光进行pulse shaping，搭建二维和频振动光谱显微镜，从而获得更多的能量转移细节。届时，我们将能获得更多尚未发现的关于水的性质。
最后，为我们课题组做一个小广告：
参考
- ^Spatially dependent H-bond dynamics at interfaces of water/biomimetic self-assembled lattice materials https://www.pnas.org/content/117/38/23385.short
- ^Ojha, D., Kaliannan, N.K. & Kühne, T.D. Time-dependent vibrational sum-frequency generation spectroscopy of the air-water interface. Commun Chem 2, 116 (2019). https://doi.org/10.1038/s42004-019-0220-6
- ^The structure of water–DMF binary mixtures probed by linear and nonlinear vibrational spectroscopy https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5141757
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