核心提示

    水是人们日常生活中最常见的物质，但关于水人类还有很多谜团没有解开。比如氢原子和氧原子是如何形成水分子的？水分子到底长什么样？水独特的氢键结构也一直让科学家难以解释。

    日前，我国科学家在水科学领域取得重大突破，首次拍摄到水分子的内部结构，使得在实验中直接解析水的氢键网络构型成为可能。

    给水分子拍照不是一件容易的事儿

    给水分子拍照不是一件容易的事儿，因为它实在太小了，直径只有一根头发丝的百万分之一，而且在液态下，水分子运动非常快。拍照的第一个难题，就是给它选择一个合适的衬底。

    由于拍摄仪器的要求，这个衬底还得能导电才行。以前，科学家一般选取的是以金属作为衬底，把水直接放在金属上进行观察。但由于水分子和金属之间有很强的相互作用，水分子的轨道往往会被金属的电子态所淹没，所以此前世界各国的科学家拍到的水分子照片，最多只是模糊的外形——一个没有任何内部结构的圆形凸起。这次我国科学家选取了金属表面产生的绝缘薄膜（氯化钠）作为拍摄的衬底，让水分子吸附在盐的表面进行观察，这大大减小了水分子和衬底之间的耦合，从而使水分子本征的轨道结构得以保留。

    拍摄水分子内部结构的另外一个挑战，就是单个水分子的信号强度异常微弱，对实验仪器的精度要求非常高。我国科学家通过仔细的论证和不懈的探索，成功把亚分子级分辨成像和操控技术应用到水科学领域，开创性地把扫描隧道显微镜的针尖作为顶栅极，以皮米（1皮米相当于1米的一万亿分之一）的精度控制针尖与水分子之间的距离和耦合强度，从而使研究人员捕捉到水分子更清晰的面貌。

    改变水的特性将成为可能

    普普通通的一滴水中，就有无数个水分子。那么，这些水分子是怎么凑在一起，变成了我们看得见摸得着的水呢？我国科学家给水分子拍照的时候，在这一点上也有重要发现。

    此前，科学家们已经知道，水分子和水分子之间是由氢键相连的，氢键的构型和方向性决定了水的很多特性。我国科学家不仅拍摄到单个水分子的结构，还拍到由4个水分子组成的水团簇，通过高分辨率的轨道图像首次成功解析出水团簇的微观氢键构型，并且发现水分子之间通过氢键连接的时候，还存在一定的方向性。结合第一性原理计算，研究人员发现以往报道的盐表面的水分子团簇不是最稳定的构型，并提出了一种全新的四聚体吸附结构。

    水分子内部结构长什么样，水分子和水分子之间如何连接，它们在不同的固体表面又有怎样不同的变化，我国科学家开展的这些研究，都有助于人们利用和改变水的特性，在现实生活中有广泛的应用前景。

    该课题组相关负责人介绍，比如大家现在比较关注的PM2.5，本质上是微米（1微米相当于1米的一百万分之一）级粉尘，作为大气中一种重要的凝结核，表面通常会包裹着一层水。利用上述研究中所发展的水分子高分辨率成像技术，如果能够把不同类型粉尘表面的这一层水的微观结构解析出来，将有可能给环境科学家们一些启发和帮助，让他们能够对症下药，针对性地采取一些化学或物理办法，增强粉尘外面水蒸气的凝结，或者促进粉尘之间的相互聚合，从而使得PM2.5能够直接沉降到地面。 （据《人民日报》）