吉林東風好孕助孕機構(gòu)（看似簡簡單單一餐）看似簡單其實不簡單的說說，
水有70多條反常特性，這些性質(zhì)都還處于研究之中，大家還不能完全了解它內(nèi)在的機制到底是什么水是大家司空見慣的一種物質(zhì)，但是對科學家而言，水可以說是自然界最復雜的物質(zhì)之一到目前為止，仍然需要更多的科學研究去探索水的性質(zhì)，所以水對于我們來說是一個非常陌生的世界。
奇怪的水已完成：10% //////////水可以說無處不在，在地上、地下，甚至在外太空、外星球都能找到水的蹤跡但實際上水非常奇怪，為什么這么說呢？第一個例子我想帶大家去南極看一看南極的氣溫非常低，很多水會結(jié)成冰。
但是，在如此冷的地方仍然有很多魚在自由地生存著為什么在這么低的溫度下魚不會結(jié)冰呢？經(jīng)過科學研究發(fā)現(xiàn)，在這些魚的血管里有一種叫抗凍蛋白的物質(zhì)，它可以抑制水變成冰這是自然界中一個非常有意思的現(xiàn)象，但一直不為大家所知。
實際上，水還有很多其它的非常奇怪的性質(zhì)比如說，大部分物質(zhì)從液體變成固體的時候，它的體積會減小但是水結(jié)成冰的時候，它的體積反而會變大，密度會減小，而且水在4℃的時候密度最大這個現(xiàn)象跟大家的常識是相反的
▲ 為什么4℃的時候水的密度最大？另外，如果我們來做一個實驗，把一瓶熱水和一瓶冷水同時放進冰箱，你會發(fā)現(xiàn)熱水比冷水更快結(jié)冰,這也是非常奇怪的現(xiàn)象此外，還有關于冷凍人、冷凍器官、器官冷藏的研究，實際上跟剛才我們談到的魚為什么不結(jié)冰是類似的現(xiàn)象。
其中很重要的一個課題是，冷凍人體時必須要保證體內(nèi)的水不能結(jié)冰水一旦結(jié)冰，有可能變成小的冰碴，會刺破細胞膜，從而使器官失活簡單地從水結(jié)冰這樣一個現(xiàn)象來看，事實上有很多物理和化學過程不為大家所知，也需要用更深入的科學手段去探討這些問題。
有人總結(jié)過，水大概有70多條反常特性除了剛才講的熱縮冷脹，即密度的反常，還有很多如高比熱、高熔點、熱導、張力等特性這些性質(zhì)都還處于研究之中，大家還不能完全了解它內(nèi)在的機制到底是什么因此，《科學》在創(chuàng)刊125周年的時候，提出了本世紀最具挑戰(zhàn)性的125個科學問題，其中一個問題就是。
“水的結(jié)構(gòu)是什么”，這說明水的結(jié)構(gòu)實際上是了解水的性質(zhì)最關鍵的一環(huán)。
如果我們能從微觀上了解清楚水的結(jié)構(gòu)的話，我們就能更好地了解水的很多特性，解開水的世紀難題水的量子效應已完成：20% //////////大家都知道，水是由水分子構(gòu)成的，那么水分子長什么樣呢？就像這個圖里面畫的一樣。
▲ 你以為的水：H2O其實水分子很簡單，就是兩個氫加上一個氧，形成了一個簡單的三原子的分子這是我們都熟知的化學組成但是，四年前《科學》雜志上的一篇文章中提到，水的結(jié)構(gòu)其實并不是這么簡單，水具有一些量子效應。
什么是量子效應呢？在經(jīng)典的圖像中，簡單的水就是兩個氫和一個氧，即使給它加熱、加一些擾動，它還是這種構(gòu)型但是，如果用更精確的手段分析，我們會發(fā)現(xiàn)氫原子在空間中有一定的位置漲落，也就是說它沒有確定的位置，而是有一些概率上的分布。
氫原子的空間漲落現(xiàn)象會對水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生非常大的影響，包括氫鍵相互作用，從而使水展現(xiàn)出一些非常反常的特性舉一個例子來看，如果我們不考慮氫原子在空間上的量子效應，那么我們體內(nèi)的很多化學反應可能根本就不會發(fā)生，或者說至少會減慢為一千分之一。
所以，如果沒有水的量子效應，我們?nèi)丝赡芫筒淮嬖冢械纳镆矔淮嬖谠谶@個研究發(fā)表之后，有很多商家推出了一些“量子水”，據(jù)說是對我們健康有益的一種水但是我要說的是，此量子可能非彼量子，大家手里拿的每一瓶水可以說都是量子水，因為量子效應是水本身的一種屬性，所以這是一個概念炒作現(xiàn)象。
▲ 量子水？概念炒作、移花接木！單個水都這么復雜了，那么水和水放在一塊兒，它的結(jié)構(gòu)是不是更加復雜呢？水和水之間存在著一種相互作用，這種相互作用叫氫鍵什么是氫鍵？水里面的氧帶負電、氫帶正電，把水分子放在一塊的時候，帶正電的氫和帶負電的氧會產(chǎn)生相互吸引作用，這個相互吸引作用就是氫鍵。
好比把一個水分子當作是一個人，就像人和人手拉手，就變成了水的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)氫鍵有很多很奇怪的特性比如，它有協(xié)同性，如果我和另一個人的牽手狀態(tài)發(fā)生變化，那么會影響周圍一堆人的狀態(tài)也發(fā)生變化氫鍵還有靈活性如果我把手放開，那么我會很容易地和另外一個人牽手，所以它有一個非常奇怪、非常靈活的特性。
另外， 氫鍵還有方向性氫鍵總是氫指向氧才能成鍵，如果氫指向氫、或者氧指向氧，就不會形成這個鍵
▲ 水的復雜性：氫鍵這三種特性導致水會形成非常復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，稱為氫鍵網(wǎng)絡如果我們能搞清楚氫鍵網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)，那么很有可能完全解開水的一些反常特性的奧秘，甚至能去操控水的性質(zhì)水的三種物相已完成：30%///
///////大家都熟知水有三種物相在低溫的時候它是固體、是冰相，冰相里面的水分子都規(guī)規(guī)矩矩地排在自己的位置上，形成一個規(guī)則的、有序的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如果把冰稍微升高一點溫度，它就會融化，融化之后這些水分子就待不住了，會跑到別的地方去，甚至還會跑到間隙位置，所以就變成無序的液態(tài)結(jié)構(gòu)。
在液態(tài)的情況下，水分子是沒有任何規(guī)律、沒有任何周期性、完全無序的狀態(tài)。如果再進一步升溫，水分子和水分子之間就會逐漸遠離，它的鍵會被打斷，最后變成沒有任何相互作用的氣態(tài)。
▲ 水的三種物相：冰相、液相、氣相在水的三個物相中，冰相雖然說相對簡單，但迄今為止，大家發(fā)現(xiàn)大概存在18種冰相在不同的條件下，它展現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)液相可以說是目前為止水里面最復雜的一個相，沒有任何的理論和實驗能夠回答液相的結(jié)構(gòu)到底是什么。
在過去幾十年間，有若干的實驗和理論試圖去解答這個問題，提出了很多的模型，比如四面體模型、拼成鏈狀的繩圈模型、完全無規(guī)的混亂模型，但是沒有一種模型能夠給出滿意的答案。
▲ 液相水研究進展：四面體模型(a)、繩圈模型(b)、混亂氫鍵模型(c)所以說，到現(xiàn)在為止液態(tài)水的結(jié)構(gòu)還在激烈的爭論之中似乎商家已經(jīng)解決了這個問題，他們已經(jīng)知道液態(tài)水的結(jié)構(gòu)到底是什么，或者是說能夠通過某種手段讓液態(tài)水里的水分子聚成小團，然后讓這個小團更容易通過我們的細胞膜被人體吸收，促進新陳代謝。
▲ 健康水，養(yǎng)身水？但很遺憾的是，這種現(xiàn)象或者說這種聲稱目前仍沒有科學的支持，有待于進一步證實那么我們怎么辦？最直接的辦法是看到水分子，能夠知道水分子在什么地方，它怎么排列成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，它有幾個水分子在這個網(wǎng)絡里面。
第一次看到單個水分子的實空間圖像已完成：40% //////////為了看到水分子，我們不能用大家常見的光學顯微鏡，因為它的分辨率遠遠不夠，所以這里要介紹一下掃描隧道顯微鏡，簡稱是STM掃描隧道顯微鏡由兩位瑞士的科學家Bining和Rohrer在1981年發(fā)明，他們因此獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。
他們用這個顯微鏡可以看到表面的原子結(jié)構(gòu)，這在當時來說是非常了不起的一個成就
▲ 掃描隧道顯微鏡STM：1986年諾貝爾物理學獎為什么STM能看到原子？當然不是用眼睛直接去看，更形象地說應該是感知原子，像盲人摸象一樣去摸原子。?
真實的情況下，我們并不是拿手去摸原子，而是拿一根非常細、非常尖銳的針尖去靠近原子，當針尖和原子靠得足夠近的時候，兩者之間會有非常局域的隧道電流產(chǎn)生在表面進行掃描的時候，根據(jù)電流的變化就能把表面的原子起伏成像出來。
所以說，實際上我們并不是真正看到原子，而是把它感知出來
▲ STM工作原理很多人問我，你需要多么尖的針尖才能干這件事情？因為你要看到的是原子，而不是一個普通的物質(zhì)實際上算了一下，針尖最尖端的直徑應該是頭發(fā)絲的千分之一，這個大小在光學顯微鏡下是完全看不見的
不僅如此，即使你有這么小直徑的針尖，仍然不能保證能看到原子，必須要經(jīng)過很復雜的手段，在針尖的末端修飾一些單個原子或修飾單個分子，這樣才能看到非常高分辨的圖像打一個形象的比喻，針尖就好像是龍卷風后面大塊的云。
，但恰恰最尖端的一些原子和分子才是得到高分辨率圖像的最重要因素。這個圖像非常貼切地反映出針尖的真正形狀。
這是兩臺掃描隧道顯微鏡，或者稱為掃描探針顯微鏡。為了看到水分子，一般的掃描隧道顯微鏡還不行，我們必須要把它降到零下260多度，這已經(jīng)非常接近絕對零度。
▲ 低溫掃描探針顯微鏡系統(tǒng)除了低溫以外，還必須把STM放在一個真空度非常高的環(huán)境，真空度的大小可以比擬宇宙中的真空度這樣能夠把分子牢牢地抓在表面，不讓它到處運動此外，由于真空度非常高，周圍大氣環(huán)境中的分子不會對水分子產(chǎn)生干擾。
在這么純凈的環(huán)境下，我們終于可以第一次看到單個水分子的實空間圖像，可以看到很多V型結(jié)構(gòu)如果把水的結(jié)構(gòu)疊上去，看到的微型結(jié)構(gòu)跟水的骨架完全一致，不只是鍵角一致，包括鍵長也完全匹配這是人類第一次能夠清晰地看到水分子的結(jié)構(gòu)圖像。
但是，有些時候看到是一種比較奇怪的水分子圖像。比如說，右邊是黑洞的圖像；左邊這個實際上是水分子。
▲ 水分子(左)、黑洞(右)，10倍的尺寸差別把水分子放上去，我們會發(fā)現(xiàn)它并不是水分子的骨架，而是水分子周圍的電子產(chǎn)生的電子云亮的地方電子比較多，暗的地方電子比較少，所以就形成一個可以說是跟黑洞一模一樣。
的圖像這兩種物質(zhì)的尺寸大概有20個量級以上的差別我們不得不感慨自然界竟然這么精巧，兩種尺度相差這么大的物質(zhì)，在圖像上竟然是這么的一致“冰”的邊界已完成：50% //////////我們既然能看到單個水分子，那么我們能干什么呢？。
我們就能去慢慢地玩它、可以養(yǎng)它、也可以拍它第一件事情，我們想看一看冰到底長什么樣，冰到底是怎么長出來的這是一個非?；A的概念，但是實際上沒有人知道究竟是怎么回事如果你去南極或者北極，在海面上有非常多的厚厚的冰層。
這種冰層實際上是成千上萬的水堆在一塊兒形成的物質(zhì)那能不能把這么厚的冰層一層一層地減薄，最后減到單層冰單層冰的結(jié)構(gòu)是什么樣的？它是怎么長出來的？這會影響我們理解厚冰層的生成終于有一天，我們做成了這件事情這個工作在2020年年初發(fā)表在《自然》雜志上。
我們看到了單層冰的高分辨原子結(jié)構(gòu)圖像，可以看到它是一個蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，跟我們熟知的石墨烯蜂窩狀結(jié)構(gòu)一模一樣，所以我們稱它為類石墨烯結(jié)構(gòu)
▲ “手撕”冰：二維冰≈石墨烯？！除此之外，它的邊界實際上比蜂窩狀結(jié)構(gòu)更為復雜，因為它不光有六元環(huán)組成的鋸齒狀邊界，此外還有五元環(huán)、七元環(huán)等拼起來的復雜邊界，我們稱它為“扶手椅”邊界。
▲ “冰”的邊界長啥樣？看到這個邊界以后，我們能對它的邊界生長狀態(tài)進行拍照舉個例子來看，對于鋸齒狀的邊界，我們發(fā)現(xiàn)它首先在一個位置長出一個五元環(huán)，然后五元環(huán)再進一步延拓，長成一串的隊列式五元環(huán)，但是這些五元環(huán)中間有一些空隙。
怎么辦呢？水分子非常聰明，它能夠直接嵌到這些空隙里面，把這些五元環(huán)橋接在一塊兒，像搭橋一樣，最后把它變成最初始的六元環(huán)狀態(tài)，這就完成了一次生長。這就是我們在顯微鏡下面看到的冰的真實生長狀態(tài)。
▲ 為冰的生長過程拍照片我們一旦知道了冰是怎么長出來的，就可以告訴材料科學家怎么去制備一些特殊的材料，來抑制冰的形成，或者促進冰的形成這是其中一個例子我們做了一個看起來上面、下面一樣的材料，但實際上我們已經(jīng)對這個材料的上下兩部分做了特殊的涂層處理，上面是抑制結(jié)冰的涂層，下面是促進結(jié)冰的涂層。
把這個材料放在水蒸氣下面，然后降到低溫狀態(tài)，水就開始在表面凝結(jié)、結(jié)冰上面的涂層上長出的是非常粗糙的顆粒狀的冰，下面的涂層上長出的是非常平整的冰層這時候拿風一吹，上面這種冰粒很容易就被吹掉了，但是下面的冰層會牢牢地吸在表面上，怎么吹都不掉。
▲ 設計和制備不結(jié)冰的材料我們終于發(fā)現(xiàn)可以人為地去控制材料抑制結(jié)冰或者促進結(jié)冰的行為，這實際上具有很重要的現(xiàn)實意義，比如研究冰層、大氣中冰雨的形成。
▲ 過冷水在界面處結(jié)冰又比如表面防結(jié)冰、器官冷藏時防止器官被冰碴所刺破等。
▲ 表面冰成核生長研究，對于大氣中冰/雨的形成、材料表面防結(jié)冰、器官冷凍等應用有重要意義人類首次在原子層次看清“鹽水”已完成：70% //////////剛才講的是純水，但實際上水跟別的物質(zhì)也會發(fā)生很有意思的相互作用，其中一個相互作用稱為“離子水合”。
這個詞聽起來非常陌生，但是我舉個例子大家一定會覺得非常熟悉如果我們把一勺鹽直接倒在水里，再晃一晃，這個鹽很快就沒有了，因為鹽都溶解在水中了鹽為什么會溶解？從微觀上看大概是這么回事：鹽是氯化鈉，是由氯和鈉組成的晶體，把氯化鈉泡在水里，水分子會慢慢地把鈉和氯兩種離子拽走，同時水分子會包裹在被拽走的離子周圍，這樣就形成一種團簇結(jié)構(gòu)，這個團簇結(jié)構(gòu)就是離子水合物，這個過程我們稱為離子水合過程。
▲ “鹽水”里的大學問離子水合過程在100多年前就已經(jīng)被化學家所意識到了，但是迄今為止仍然沒有人真正看到過離子水合物到底長什么樣，離子水合過程是不是能夠發(fā)生，水分子在離子周圍到底是什么樣的構(gòu)型，離子周圍到底有幾個水，實際上這一系列的基礎問題都很難回答。
我們在顯微鏡下面能夠清楚地看到，由一個水和一個離子形成的水合物，兩個水跟一個離子，三個水、四個水等不同數(shù)目的水分子可以跟一個離子形成千奇百怪的結(jié)構(gòu)，而且它的構(gòu)型也非常有意思這可以說是我們?nèi)祟惖谝淮卧谠訉哟慰辞宄}水。
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▲ 2018年發(fā)表于《自然》雜志、2018年度中國科學十大進展實際上，想看到鹽水沒那么容易一般情況下，我們把鹽放在水里面來溶解成離子水合物，但是對于我們來說這種辦法是不行的我們必須要用針尖人工造出單個離子水合物，這樣才能讓成像變得簡單。
所以我們設計了一個非常有意思的辦法，可以用針尖模擬水溶解離子的過程，人為地造出含有不同數(shù)目水分子的離子水合物，然后再去進行拍照除了看到水的狀態(tài)之外，我們還發(fā)現(xiàn)當離子周圍包裹了特定數(shù)目水分子的時候，這個離子水合物可以在表面非?？斓財U散，這就是非常有意思的幻數(shù)效應。
只有在特定數(shù)目水分子包裹的情況下，離子才能獲得比較大的速度人體吸收離子的時候，離子必須要穿過離子通道才能被人體吸收，但是離子通道本身非常狹窄，它是一個原子尺度的通道很反常的是，實際上離子能夠非常高效地通過離子通道。
我們的工作實際上提供了一種非常有趣的理解，是不是在離子通過通道的時候，它周圍包裹了特定數(shù)目的水分子，水分子可以幫助離子高效地通過離子通道？這實際上為生物離子通道的解釋提供了一種新的思路。
▲ 生物離子通道中離子傳輸?shù)母咝院瓦x擇性水——潛在的清潔能源已完成：80% //////////最后，我想和大家聊一聊能源的事情之前我們都是在用顯微鏡看水，那我們能不能操控水呢？答案肯定是可以的我們可以讓水分解，把它的氫氧鍵打斷，讓水變成氫氣和氧氣。
產(chǎn)生氫氣的意義是什么？氫氣是一種非常清潔、非常高效的能源，氫氣燃燒可以產(chǎn)生極大的能源同時，氫氣燃燒之后變成水，水又可以分解成氫氣，這樣可以形成可循環(huán)的清潔能源，而且在這個過程中不會產(chǎn)生任何污染如果我們有一個辦法，能把水高效地分解成氫氣和氧氣，。
世界的能源問題就被解決了初中化學就教給了我們分解水的方法直接往水里通電，水就變成氫氣和氧氣了，這是很簡單的一個過程但這個過程不可能用來商業(yè)化，不可能用來產(chǎn)生能源因為電極材料很昂貴，用的是鉑材料，此外必須要消耗非常巨大的電能。
所以人們就想一切辦法來突破這兩個瓶頸
▲ 水：理想的終極清潔能源？首先，我們是不是可以尋找一些比較便宜的、和鉑電極效率接近的材料來替代鉑？這樣就可以降低成本最近我們發(fā)現(xiàn)對二硫化鉬進行一些特殊的處理之后，它的水解效率可以跟鉑比擬，但是還不能完全跟鉑匹配。
這說明經(jīng)過一系列努力，我們有可能找到這樣的材料來替換昂貴的鉑電極
▲ 尋找便宜高效的電極另外一個思路，由于要耗費很大的電能，那我們可不可以不需要電就讓水分解成氫氣？有很多的科學家也在往這個方向努力比如說，設計一些特殊的催化劑和混合液相反應，讓水不需要通電就直接分解成氫氣。
但是很遺憾的是我們必須要對它進行一定的加熱，加熱也要耗能
▲ 水和甲醇的液相重整反應如果不需要加熱，在室溫下能做到讓水自動分解嗎？我們可以借助太陽光太陽光有很大的能量，如果把催化劑泡在水里面，在太陽光照射下水自動分解成氫氣和氧氣，那豈不是一件非常令人高興的事情。
但是很遺憾的是，光解水的效率目前還很低，還需要進一步的提升和優(yōu)化
▲ 光催化水解制氫今天給大家展示了一些水的特性。實際上，水在我們生命體里也是非常重要的物質(zhì)。沒有水，蛋白質(zhì)不可能折疊；沒有水，人體內(nèi)的化學反應也不會發(fā)生，人就不會存在。
由此可以看到，從結(jié)構(gòu)上來說，水是非常柔軟的物質(zhì)，但在科學上它是非常難啃的一塊骨頭科學家們用了最先進的實驗和理論模擬手段，試圖深入到原子和分子尺度，希望通過高分辨的研究能夠揭示更多水的奧妙，讓水更好地為人類服務，造福人類。
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