水是生命之源,地球面积的71%是海洋,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。
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。
不过
他通过自主研发高精度显微镜技术
看到世界上最小的原子——氢原子
看到了自然界的原子的极限
6月2日,未来论坛青创联盟成员、北京大学博雅特聘教授江颖在未来青年论坛做了主旨演讲,他强调了基础科研的重要性,并给我们带来了带来了一场精彩的主旨演讲《熟悉而又陌生的水世界》,水是我们大家都离不开的物质,但同时也是世界上最复杂的物质之一,江颖教授从水的形态和结构角度为大家详细介绍了对水的研究,该工作发展的实验技术也首次将水科学的研究精度推向了原子层次。他通过自主研发高精度显微镜技术看到世界上最小的原子——氢原子,看到了自然界的原子的极限。他还期望通过对水和冰的微观研究带来更多的产业应用,和其他领域的科学家合作,让水更好的服务于人类。同时他也让我们认识到水是“Softinnature,buthardinscience”。
下面让我们一起看一下江颖口中“熟悉而又陌生的水世界”
以下是主旨演讲全程记录:
江颖:今天非常高兴能够有机会跟大家聊一聊大家非常熟悉的物质,就是水。在十年前,我觉得我应该了解水,水没有什么特殊的东西,但在十年之后,我发现水反而变得非常陌生,因为很多科学的意义是非常深。另外,水是世界上最复杂的物质之一。
首先我想举一个例子给大家看看为什么水比较复杂,比如大家知道水分子一般是由一个氧和两个氢组成非常小的分子,实际上经过三年前的一项研究,我们发现水并不是这样的,通常情况下如果简单模拟水,氢氧都具有确定的位置,但你会发现实际并不是这样,氢会在空间有一定密度的涨落,没有确定的位置,氢原子有一定的概率在空间分布,这个来源于所谓的量子力学里不确定性原理或者测不准原理。
我们说水分子有非常强的量子效应,量子效应可以影响水的方方面面,包括结构,也包括很多性质,结果在科学杂志上发表之后,突然之间有很多企业开始制造出一种水叫量子水,我不知道用什么办法,可以把普通水变成量子化的水,对我们的健康或者疾病有很多有益的作用。
我要说此量子非彼量子,完全是概念的炒作和移花接木的东西,我可以很负责任告诉大家,每一位前面放的那瓶水都可以叫量子水,因为量子效应是水本身的属性,不会因为其他外界因素而改变,但是从这个例子大家可以看到,这个水确实是非常复杂,非常奇怪的物质。怎么奇怪?有人统计过水总共有74条反常特性,比如热缩冷涨,还有热水放在冰箱里比冷水更容易结冰,这些现象大家非常熟悉,但是背后的科学道理,实际上有些是非常复杂的,而且74条反常特性我们仅可以了解其中很少一部分,很大一部分仍处于热烈的争论之中。
反常特性为什么这么奇怪?所有的反常都是跟水的结构有关系,大家可以看到科学杂志创刊周年的时候推出本世纪最具挑战性的个科学问题,其中一个就是水的结构是什么,水的结构是世纪难题,非常重要,也非常恼人。
为什么水的结构这么复杂?我介绍一个大家听说过的名词叫氢键,有一部分电子从氢转移到氧上去,氢带部分正电,水分子放在一块,带正电的氢可以和负电的氧形成吸引的相互作用,这种吸引相互作用构成氢键的大部分组成,氢键非常怪,也非常有意思,首先是协同性,如果扰动其中一个键,会有很多键跟着它响应,另外它非常灵活,可以很容易打开,也可以很容易断开。再者氢键具有方向性,只有当氢指向氧的时候才会成键,其他时候没有键合。这些非常有意思的特性,让氢键在水结构中扮演着很重要的角色。
所以我们做水科学研究思路很简单,我们必须搞清楚水微观上的氢键结构,这样就有机会理解水的很多反常特性,从而摸清很多脾气,甚至可以改变水的特性,让水来造福人类。这是一个非常简单的思路,也很有挑战性。
举一个简单的例子,大家知道把冰放在水里,冰会浮起来,说明什么?代表冰的密度比水要大,为什么会这样?要深入去想冰到底为什么密度比水大,因为大部分物质的密度固体是比液体大的。还是跟冰的结构有关系,冰里水水分子形成有序的排列,形成正四面体的结构,水和水之间有很大的空洞,空洞的出现就是与氢键相互作用有很大的关系,升温的时候有一部分水会挣脱氢键的束缚,受热运动的快,跑到间隙里面去,这时候大家看液态水的密度明显比冰大得多,再升温的时候所有水分子间的氢键断裂,水和水之间距离变得很大,水和水之间没有任何交流,成为气相,这时候密度又会变小。
大家看到水的液相最为复杂,也是最没有规则的,但有研究表明水并不是完全无序,具有会形成正四面体的有序结构。但过了三十年有科学家站出来说不对,存在的是链状的,形成圈形的结构,但是也有很多质疑说,这个结构也不对,应该形成非常混乱的氢键。大概50、60年的争论一直在进行,液态水的结构没有任何定论。但是似乎哦我们的商家已经搞清楚这个问题了,他们不光了解水的结构,还可以控制水的结构,可以把大分子团的水打散成小分子团,大家知道水要被人体吸收,必须要有一个过程,水要透过细胞膜进入到细胞里面,水透过细胞膜有水通道的概念,这个通道很小,如果水分子团很大,水进不去,把水分子团变得很小,水就畅通无阻,这样新陈代谢加快,各方面的疾病也都可以治疗,是健康水。
虽然商家给出了很多谱学上的证据,比如核磁共振发现这两种水有差别,但是很遗憾的告诉大家,有十多家公司找过我做这个事,迄今为止的实验证据没有给出他们理想的结果,说明大家对水很