量子视角看水,竟有这些新发现!

◎ 科技日报记者 张佳星

水,可以称得上是最简单的分子,H₂O(www.nsff.net)。这个简单的化学式,在搞物理的人眼里却蕴含着太多的谜题。

为什么热水可以比冷水更快结成冰?

为什么4摄氏度水的密度是最大的?(注:按照一般物理规律,温度越低密度越大)

为什么水结成冰能迅速从无序变成有序?(有研究测算,水分子“站成队形”的时间只需要0.2皮秒。)

“水有很多反常性质。”在日前召开的香山科学会议“水的微观结构和动力学”学术讨论会上,中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员杨国桢指出,水分子构成非常简单,但从科学的角度却极具挑战性,它结构复杂,常以分子团的形式存在,它结构奇异,呈现出明显的量子特性。

因此,从原子、分子的层面去理解水的结构和性质,理解它与其他物质相互作用的机理,将对生命科学、能源、材料、环境等领域的重要应用和技术发展带来重大变革。

重大变革所言非虚,最突出体现在能源资源的利用上。

“在某些金属表面,氢与氧的结合能会大大降低,有一定的概率,‘氢’是处在自由状态。”杨国桢解释,这意味着,存在非常好的催化剂,给人类机会能够‘抓住’水分子里的自由氢,进而低成本地利用氢作为能源。

也就是说,深入研究水分子在物质表面的状态,甚至可以帮助人类找到一个神奇的催化剂,助推能源工业跨过“水变氢”的能量鸿沟。

从量子的视角看,还会发现水的另一个重大变化。

“一般认为水在很细的管子里会受阻,流动速度会变慢。”杨国桢说,但当管子细到纳米的尺度,一切就不一样了。

实验显示,水分子在纳米尺度反而会变得有序,仿佛“一份一份”排成队,具备量子的特性,能够迅速集结成队。因此其在几纳米直径的管道里的实测流动速度比流体力学理论的预测速度高4—5个数量级(即1万-10万倍)。

“这对于海水淡化将带来颠覆性变革。”杨国桢认为,如果能找到建立微通道的有效办法,水的流通是不被物质所阻挡着的,一旦实现工业化利用,那么大大降低海水淡化、污水处理等行业的成本,并带来极大的经济效益。

科技创新要面向人民生命健康。对于占人体重量70%的水来说,在量子视角深入研究将带来更意想不到的生命健康的启示。

“生命体内具有小尺寸独特结构和表面电荷分布的离子通道,在这些离子通道中,离子和分子会以单链的形式进行超快传输。” 中国科学院院士、中科院理化技术研究所研究员江雷表示,在生命体系中,离子和分子的快速传输表现出量子化的超快流体状态。

在生命活动中有着重要作用的“生物酶”,在催化生命活动时利用通道大大提高反应效率、降低反应门槛。

“例如,天然橡胶在橡胶树中只需要30摄氏度的反应温度就可以合成,而人工合成的反应温度却高达92摄氏度。” 江雷解释,利用“量子限域超流体理论”,仿照自然界“酶的通道”,相关研究可以把原来的70摄氏度、24小时、产率78%的化学反应,改进为一分钟实现100%产能。

量子视角看“水”,这些事实令人惊呆。科学家们深信,还有更多的意想不到等待探索和挖掘。美国、欧洲、日本等发达国家,已经开展了相关方向的研究和积累。据统计,美国自然科学基金委每年投入4-7千万美元开展研究,十年发表论文超过7万篇。

“我国对水科学基础研究的关注和投入有限,方向比较分散,研究水平有待进一步提高,缺乏从国家专业层面对水科学基础理论和实验技术发展的统一规划和引导。”杨国桢说。

毋庸置疑,人类对水的认识存在严重不足,从水的视角来理解生命、环、境能源等领域才刚刚起步。

与会专家认为,推动重大理论创新应做好两方面的融合,一方面将水科学研究与相关学科进行交叉融合,实现对水及其参与的相关过程的深入和正确的认知;另一放面,基础理论的研究要和应用结合起来,以目标领域的重大基础性问题为导向,从水科学的量子视角寻求最优化答案。

来源:科技日报

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