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最小的一滴水有多少個(gè)水分子

來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)

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2021-02-25 03:35:02

原標(biāo)題:最小的一滴水有多少個(gè)水分子

來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)

最小的一滴水有多少個(gè)水分子

◎李存璞

一滴水大約為0.05毫升,約10萬(wàn)億億個(gè)水分子。半滴水0.025毫升,5萬(wàn)億億個(gè)水分子。那么,半滴水還算一個(gè)水滴么?如果半滴水算,那半滴水的半滴呢?如此細(xì)分下去,終點(diǎn)將是一個(gè)水分子。那么,一個(gè)水分子能算是一滴水么?如果不算,那最少要多少個(gè)水分子才可稱(chēng)為一滴水?

2020年年底,發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)旗艦期刊《化學(xué)科學(xué)》上的一項(xiàng)研究,報(bào)告了答案:米蘭理工大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),21個(gè)水分子組成的分子團(tuán),與宏觀的一滴水的光譜基本吻合。也就是說(shuō),最少需要21個(gè)水分子才可以組成一滴水。

光譜讓水分子說(shuō)話(huà)

我們不妨從一個(gè)水分子的視角,來(lái)思考這個(gè)問(wèn)題:假設(shè)在一滴水中隨機(jī)挑選一個(gè)水分子,我們叫它W。盡管0.05毫升的一滴水中大約有1021個(gè)水分子,但真正圍繞在W周?chē)乃肿硬⒉欢唷?/p>

我們把W轉(zhuǎn)移出來(lái),在其周?chē)粩嘣黾铀肿?,直到W覺(jué)得,周?chē)乃肿铀坪醺耙粯佣嗔恕4藭r(shí)W相信,自己處在一滴水中。于是W和增加的水分子這個(gè)整體,就可以被定義為最小的一滴水。這一過(guò)程被稱(chēng)為W的溶劑化。

但W究竟是怎么想的,我們并不知道。得想個(gè)辦法讓W(xué)告訴我們,它是不是在一滴水中。

幸運(yùn)的是,水分子每時(shí)每刻都處于不斷的運(yùn)動(dòng)當(dāng)中,這被稱(chēng)為分子振動(dòng)。每一種分子振動(dòng)的能量不同。我們可以用光譜學(xué)方法,來(lái)偵測(cè)各類(lèi)振動(dòng)的頻率,就如同耳朵聽(tīng)不同頻率的聲音一樣。

水分子的振動(dòng)光譜與其周?chē)钠渌肿用芮邢嚓P(guān)。我們可以利用光譜學(xué)這一工具來(lái)觀察,隨著周?chē)肿觽€(gè)數(shù)增加,W的分子振動(dòng)如何變化。當(dāng)W的分子光譜與宏觀上水滴的光譜一致時(shí),我們也就找到了最小的這滴水。

不過(guò),科學(xué)家迄今還沒(méi)有掌握在一個(gè)水分子周?chē)_增加水分子的技術(shù),而且一個(gè)水分子的分子光譜信號(hào)太弱,根本沒(méi)有辦法偵測(cè)到。科學(xué)家發(fā)現(xiàn),通過(guò)計(jì)算機(jī)建立模型,就可以模擬得到在W周?chē)砑铀肿訒r(shí),它的光譜如何變化。

化學(xué)中對(duì)分子的模擬主要有兩個(gè)方向。一個(gè)方向是利用量子力學(xué)方法模擬系統(tǒng)中每一個(gè)分子,包括分子中每一個(gè)原子、電子的量子相互作用,計(jì)算量巨大,這種方法主要用于研究分子的靜態(tài)特性。另一個(gè)方向是利用分子動(dòng)力學(xué)方法,將分子想象成是剛性原子用彈簧連接而成,分子之間的作用主要考慮靜電相互作用,計(jì)算量小,可以方便模擬分子振動(dòng)這樣的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

W的分子振動(dòng)自然是動(dòng)態(tài)過(guò)程,需要使用分子動(dòng)力學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面,因?yàn)樗肿又g是氫鍵相互作用,又不得不同時(shí)考慮量子力學(xué)效應(yīng)。因此,化學(xué)家將兩種方法結(jié)合,來(lái)計(jì)算W的光譜信息。

尋找最小的水滴

米蘭理工大學(xué)的化學(xué)家在對(duì)比光譜學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光譜后發(fā)現(xiàn),當(dāng)W周?chē)?個(gè)水分子(即5個(gè)分子組成的團(tuán))時(shí),它的外圍已經(jīng)包裹了一層完整的水分子層,分子光譜也與一滴水的光譜比較接近,但還有一些偏差。

他們進(jìn)一步增加W外圍水分子的個(gè)數(shù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)有20個(gè)水分子,即形成21個(gè)水分子的分子團(tuán)時(shí),計(jì)算得到的W分子光譜與實(shí)驗(yàn)值吻合得很好。這說(shuō)明W此時(shí)已經(jīng)認(rèn)為自己真的在一滴水中了。于是,研究人員得出結(jié)論:最小的這滴水由21個(gè)水分子組成。

從極小到極大,現(xiàn)代科學(xué)關(guān)注自然各個(gè)尺度的現(xiàn)象。一方面,科學(xué)家不斷將研究目標(biāo)縮小,小到原子核內(nèi)部的質(zhì)子、夸克;另一方面,也不斷將研究目標(biāo)放大,大到整個(gè)星系、宇宙。而在這小和大的中間,存在許多跨尺度的有趣現(xiàn)象。

比如,21個(gè)水分子組成的納米尺度下的一滴水,在一定程度上具備宏觀上一杯水的特征。又比如,厚度僅為一層碳原子、徑度卻可延展到幾米的石墨烯,具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能。另比如,電子轉(zhuǎn)移僅需10-12秒,但電池充電卻需要數(shù)小時(shí)。這些跨越時(shí)空尺度的問(wèn)題,溝通了物質(zhì)的微觀組成與宏觀性質(zhì)。

而微觀和宏觀的界限在哪里,常常不是那么分明。比如在一塊晶體中,晶胞可以被認(rèn)為擁有晶體很多宏觀性質(zhì),但多少個(gè)-CH2-重復(fù)出現(xiàn)才能算一個(gè)聚乙烯分子,似乎就很難嚴(yán)格定義了。因?yàn)樗巧w系最重要的溶劑,也是很多化學(xué)和物理變化的介質(zhì),我們找到水分子到宏觀水滴的這個(gè)界限,或許可以幫助更好地認(rèn)知和模擬生命體,理解更多的化學(xué)物理過(guò)程。

(來(lái)源:科普中國(guó)中央廚房)

[責(zé)任編輯:楊凡、崔中連]

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