水有70多条反常特性，
这些性质都还处于研究之中，
大家还不能完全了解它内在的机制到底是什么。
江 颖 · 北京大学博雅特聘教授 美国物理学会会士
格致论道第54期 | 2020年7月5日 北京
非常高兴有机会和大家一起探讨这么熟悉的一个物质——水。
水是大家司空见惯的一种物质，但是对科学家而言，水可以说是自然界最复杂的物质之一。到目前为止，仍然需要更多的科学研究去探索水的性质，所以水对于我们来说是一个非常陌生的世界。
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▲ 为什么4℃的时候水的密度最大？
▲ 你以为的水：H2O
▲ 量子水？概念炒作、移花接木！
单个水都这么复杂了，那么水和水放在一块儿，它的结构是不是更加复杂呢？水和水之间存在着一种相互作用，这种相互作用叫氢键。什么是氢键？水里面的氧带负电、氢带正电，把水分子放在一块的时候，带正电的氢和带负电的氧会产生相互吸引作用，这个相互吸引作用就是氢键。好比把一个水分子当作是一个人，就像人和人手拉手，就变成了水的网络结构。
氢键有很多很奇怪的特性。比如，它有协同性，如果我和另一个人的牵手状态发生变化，那么会影响周围一堆人的状态也发生变化。氢键还有灵活性。如果我把手放开，那么我会很容易地和另外一个人牵手，所以它有一个非常奇怪、非常灵活的特性。另外， 氢键还有方向性。氢键总是氢指向氧才能成键，如果氢指向氢、或者氧指向氧，就不会形成这个键。
▲ 水的复杂性：氢键
▲ 水的三种物相：冰相、液相、气相
在水的三个物相中，冰相虽然说相对简单，但迄今为止，大家发现大概存在18种冰相。在不同的条件下，它展现出不同的结构。
液相可以说是目前为止水里面最复杂的一个相，没有任何的理论和实验能够回答液相的结构到底是什么。在过去几十年间，有若干的实验和理论试图去解答这个问题，提出了很多的模型，比如四面体模型、拼成链状的绳圈模型、完全无规的混乱模型，但是没有一种模型能够给出满意的答案。
▲ 液相水研究进展：
四面体模型(a)、绳圈模型(b)、混乱氢键模型(c)
所以说，到现在为止液态水的结构还在激烈的争论之中。似乎商家已经解决了这个问题，他们已经知道液态水的结构到底是什么，或者是说能够通过某种手段让液态水里的水分子聚成小团，然后让这个小团更容易通过我们的细胞膜被人体吸收，促进新陈代谢。
▲ 健康水，养身水？
但很遗憾的是，这种现象或者说这种声称目前仍没有科学的支持，有待于进一步证实。那么我们怎么办？最直接的办法是看到水分子，能够知道水分子在什么地方，它怎么排列成网络结构，它有几个水分子在这个网络里面，这就是我研究水的初衷。
第一次看到单个水分子的实空间图像
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▲ 扫描隧道显微镜STM：1986年诺贝尔物理学奖
为什么STM能看到原子？当然不是用眼睛直接去看，更形象地说应该是感知原子，像盲人摸象一样去摸原子。
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。
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。
▲ 低温扫描探针显微镜系统
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。
▲ 水分子(左)、黑洞(右)
1000000000000000000000倍的尺寸差别
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2020年年初发表在《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。
▲ “手撕”冰：二维冰≈石墨烯？！
除此之外，它的边界实际上比蜂窝状结构更为复杂，因为它不光有六元环组成的锯齿状边界，此外还有五元环、七元环等拼起来的复杂边界，我们称它为“扶手椅”边界。
▲ “冰”的边界长啥样？
看到这个边界以后，我们能对它的边界生长状态进行拍照。举个例子来看，对于锯齿状的边界，我们发现它首先在一个位置长出一个五元环，然后五元环再进一步延拓，长成一串的队列式五元环，但是这些五元环中间有一些空隙。
怎么办呢？水分子非常聪明，它能够直接嵌到这些空隙里面，把这些五元环桥接在一块儿，像搭桥一样，最后把它变成最初始的六元环状态，这就完成了一次生长。这就是我们在显微镜下面看到的冰的真实生长状态。
▲ 为冰的生长过程拍照片
我们一旦知道了冰是怎么长出来的，就可以告诉材料科学家怎么去制备一些特殊的材料，来抑制冰的形成，或者促进冰的形成。
这是其中一个例子。我们做了一个看起来上面、下面一样的材料，但实际上我们已经对这个材料的上下两部分做了特殊的涂层处理，上面是抑制结冰的涂层，下面是促进结冰的涂层。把这个材料放在水蒸气下面，然后降到低温状态，水就开始在表面凝结、结冰。上面的涂层上长出的是非常粗糙的颗粒状的冰，下面的涂层上长出的是非常平整的冰层。这时候拿风一吹，上面这种冰粒很容易就被吹掉了，但是下面的冰层会牢牢地吸在表面上，怎么吹都不掉。
▲ 设计和制备不结冰的材料
我们终于发现可以人为地去控制材料抑制结冰或者促进结冰的行为，这实际上具有很重要的现实意义，比如研究冰层、大气中冰雨的形成。
▲ 过冷水在界面处结冰
又比如表面防结冰、器官冷藏时防止器官被冰碴所刺破等。
▲ 表面冰成核生长研究，对于大气中冰/雨的形成、
材料表面防结冰、器官冷冻等应用有重要意义
刚才讲的是纯水，但实际上水跟别的物质也会发生很有意思的相互作用，其中一个相互作用称为“离子水合”。这个词听起来非常陌生，但是我举个例子大家一定会觉得非常熟悉。如果我们把一勺盐直接倒在水里，再晃一晃，这个盐很快就没有了，因为盐都溶解在水中了。
盐为什么会溶解？从微观上看大概是这么回事：盐是氯化钠，是由氯和钠组成的晶体，把氯化钠泡在水里，水分子会慢慢地把钠和氯两种离子拽走，同时水分子会包裹在被拽走的离子周围，这样就形成一种团簇结构，这个团簇结构就是离子水合物，这个过程我们称为离子水合过程。
▲ “盐水”里的大学问
离子水合过程在100多年前就已经被化学家所意识到了，但是迄今为止仍然没有人真正看到过离子水合物到底长什么样，离子水合过程是不是能够发生，水分子在离子周围到底是什么样的构型，离子周围到底有几个水，实际上这一系列的基础问题都很难回答。
我们在显微镜下面能够清楚地看到，由一个水和一个离子形成的水合物，两个水跟一个离子，三个水、四个水等不同数目的水分子可以跟一个离子形成千奇百怪的结构，而且它的构型也非常有意思。这可以说是我们人类第一次在原子层次看清楚盐水。
除了看到水的状态之外，我们还发现当离子周围包裹了特定数目水分子的时候，这个离子水合物可以在表面非常快地扩散，这就是非常有意思的幻数效应。
只有在特定数目水分子包裹的情况下，离子才能获得比较大的速度。人体吸收离子的时候，离子必须要穿过离子通道才能被人体吸收，但是离子通道本身非常狭窄，它是一个原子尺度的通道。很反常的是，实际上离子能够非常高效地通过离子通道。
我们的工作实际上提供了一种非常有趣的理解，是不是在离子通过通道的时候，它周围包裹了特定数目的水分子，水分子可以帮助离子高效地通过离子通道？这实际上为生物离子通道的解释提供了一种新的思路。
▲ 生物离子通道中离子传输的高效性和选择性
水——潜在的清洁能源
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最后，我想和大家聊一聊能源的事情。之前我们都是在用显微镜看水，那我们能不能操控水呢？答案肯定是可以的。我们可以让水分解，把它的氢氧键打断，让水变成氢气和氧气。
产生氢气的意义是什么？氢气是一种非常清洁、非常高效的能源，氢气燃烧可以产生极大的能源。同时，氢气燃烧之后变成水，水又可以分解成氢气，这样可以形成可循环的清洁能源，而且在这个过程中不会产生任何污染。如果我们有一个办法，能把水高效地分解成氢气和氧气，世界的能源问题就被解决了。
▲ 水：理想的终极清洁能源？
▲ 寻找便宜高效的电极
▲ 水和甲醇的液相重整反应
如果不需要加热，在室温下能做到让水自动分解吗？我们可以借助太阳光。太阳光有很大的能量，如果把催化剂泡在水里面，在太阳光照射下水自动分解成氢气和氧气，那岂不是一件非常令人高兴的事情。但是很遗憾的是，光解水的效率目前还很低，还需要进一步的提升和优化。
▲ 光催化水解制氢
今天给大家展示了一些水的特性。实际上，水在我们生命体里也是非常重要的物质。没有水，蛋白质不可能折叠；没有水，人体内的化学反应也不会发生，人就不会存在。
由此可以看到，从结构上来说，水是非常柔软的物质，但在科学上它是非常难啃的一块骨头。科学家们用了最先进的实验和理论模拟手段，试图深入到原子和分子尺度，希望通过高分辨的研究能够揭示更多水的奥妙，让水更好地为人类服务，造福人类。
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