［首藏作品］（5845）最小的一滴水有多少个水分子

最小的一滴水有多少个水分子◎李存璞一滴水大约为0.05毫升，约10万亿亿个水分子。半滴水0.025毫升，5万亿亿个水分子。那么，半滴水还算一个水滴么？如果半滴水算，那半滴水的半滴呢？如此细分下去，终点将是一个水分子。那么，一个水分子能算是一滴水么？如果不算，那最少要多少个水分子才可称为一滴水？2020年年底，发表在英国皇家化学会旗舰期刊《化学科学》上的一项研究，报告了答案：米兰理工大学的科学家发现，21个水分子组成的分子团，与宏观的一滴水的光谱基本吻合。也就是说，最少需要21个水分子才可以组成一滴水。光谱让水分子说话我们不妨从一个水分子的视角，来思考这个问题：假设在一滴水中随机挑选一个水分子，我们叫它W。尽管0.05毫升的一滴水中大约有1021个水分子，但真正围绕在W周围的水分子并不多。我们把W转移出来，在其周围不断增加水分子，直到W觉得，周围的水分子似乎跟之前一样多了。此时W相信，自己处在一滴水中。于是W和增加的水分子这个整体，就可以被定义为最小的一滴水。这一过程被称为W的溶剂化。但W究竟是怎么想的，我们并不知道。得想个办法让W告诉我们，它是不是在一滴水中。幸运的是，水分子每时每刻都处于不断的运动当中，这被称为分子振动。每一种分子振动的能量不同。我们可以用光谱学方法，来侦测各类振动的频率，就如同耳朵听不同频率的声音一样。水分子的振动光谱与其周围的其他水分子密切相关。我们可以利用光谱学这一工具来观察，随着周围水分子个数增加，W的分子振动如何变化。当W的分子光谱与宏观上水滴的光谱一致时，我们也就找到了最小的这滴水。不过，科学家迄今还没有掌握在一个水分子周围精确增加水分子的技术，而且一个水分子的分子光谱信号太弱，根本没有办法侦测到。科学家发现，通过计算机建立模型，就可以模拟得到在W周围添加水分子时，它的光谱如何变化。化学中对分子的模拟主要有两个方向。一个方向是利用量子力学方法模拟系统中每一个分子，包括分子中每一个原子、电子的量子相互作用，计算量巨大，这种方法主要用于研究分子的静态特性。另一个方向是利用分子动力学方法，将分子想象成是刚性原子用弹簧连接而成，分子之间的作用主要考虑静电相互作用，计算量小，可以方便模拟分子振动这样的动态过程。W的分子振动自然是动态过程，需要使用分子动力学方法来实现。另一方面，因为水分子之间是氢键相互作用，又不得不同时考虑量子力学效应。因此，化学家将两种方法结合，来计算W的光谱信息。寻找最小的水滴米兰理工大学的化学家在对比光谱学计算与实验测得的光谱后发现，当W周围有4个水分子（即5个分子组成的团）时，它的外围已经包裹了一层完整的水分子层，分子光谱也与一滴水的光谱比较接近，但还有一些偏差。他们进一步增加W外围水分子的个数，发现当有20个水分子，即形成21个水分子的分子团时，计算得到的W分子光谱与实验值吻合得很好。这说明W此时已经认为自己真的在一滴水中了。于是，研究人员得出结论：最小的这滴水由21个水分子组成。从极小到极大，现代科学关注自然各个尺度的现象。一方面，科学家不断将研究目标缩小，小到原子核内部的质子、夸克；另一方面，也不断将研究目标放大，大到整个星系、宇宙。而在这小和大的中间，存在许多跨尺度的有趣现象。比如，21个水分子组成的纳米尺度下的一滴水，在一定程度上具备宏观上一杯水的特征。又比如，厚度仅为一层碳原子、径度却可延展到几米的石墨烯，具有优异的电学、力学性能。另比如，电子转移仅需10-12秒，但电池充电却需要数小时。这些跨越时空尺度的问题，沟通了物质的微观组成与宏观性质。而微观和宏观的界限在哪里，常常不是那么分明。比如在一块晶体中，晶胞可以被认为拥有晶体很多宏观性质，但多少个-CH2-重复出现才能算一个聚乙烯分子，似乎就很难严格定义了。因为水是生命体系最重要的溶剂，也是很多化学和物理变化的介质，我们找到水分子到宏观水滴的这个界限，或许可以帮助更好地认知和模拟生命体，理解更多的化学物理过程。（来源：科普中国中央厨房）（《科技日报》2021年2月25日第 5  版。）