◎科技日報記者 張佳星

水，可以稱得上是最簡單的分子，H?O。這個簡單的化學(xué)式，在搞物理的人眼里卻蘊含著太多的謎題。

為什么熱水可以比冷水更快結(jié)成冰？

為什么4攝氏度水的密度是最大的？（注：按照一般物理規(guī)律，溫度越低密度越大）

為什么水結(jié)成冰能迅速從無序變成有序？（有研究測算，水分子“站成隊形”的時間只需要0.2皮秒。）

“水有很多反常性質(zhì)?！痹谌涨罢匍_的香山科學(xué)會議“水的微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)”學(xué)術(shù)討論會上，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員楊國楨指出，水分子構(gòu)成非常簡單，但從科學(xué)的角度卻極具挑戰(zhàn)性，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常以分子團的形式存在，它結(jié)構(gòu)奇異，呈現(xiàn)出明顯的量子特性。

因此，從原子、分子的層面去理解水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，理解它與其他物質(zhì)相互作用的機理，將對生命科學(xué)、能源、材料、環(huán)境等領(lǐng)域的重要應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展帶來重大變革。

重大變革所言非虛，最突出體現(xiàn)在能源資源的利用上。

“在某些金屬表面，氫與氧的結(jié)合能會大大降低，有一定的概率，‘氫’是處在自由狀態(tài)?！睏顕鴺E解釋，這意味著，存在非常好的催化劑，給人類機會能夠‘抓住’水分子里的自由氫，進(jìn)而低成本地利用氫作為能源。

也就是說，深入研究水分子在物質(zhì)表面的狀態(tài)，甚至可以幫助人類找到一個神奇的催化劑，助推能源工業(yè)跨過“水變氫”的能量鴻溝。

從量子的視角看，還會發(fā)現(xiàn)水的另一個重大變化。

“一般認(rèn)為水在很細(xì)的管子里會受阻，流動速度會變慢?！睏顕鴺E說，但當(dāng)管子細(xì)到納米的尺度，一切就不一樣了。

實驗顯示，水分子在納米尺度反而會變得有序，仿佛“一份一份”排成隊，具備量子的特性，能夠迅速集結(jié)成隊。因此其在幾納米直徑的管道里的實測流動速度比流體力學(xué)理論的預(yù)測速度高4—5個數(shù)量級（即1萬-10萬倍）。

“這對于海水淡化將帶來顛覆性變革?！睏顕鴺E認(rèn)為，如果能找到建立微通道的有效辦法，水的流通是不被物質(zhì)所阻擋著的，一旦實現(xiàn)工業(yè)化利用，那么大大降低海水淡化、污水處理等行業(yè)的成本，并帶來極大的經(jīng)濟效益。

科技創(chuàng)新要面向人民生命健康。對于占人體重量70%的水來說，在量子視角深入研究將帶來更意想不到的生命健康的啟示。

“生命體內(nèi)具有小尺寸獨特結(jié)構(gòu)和表面電荷分布的離子通道，在這些離子通道中，離子和分子會以單鏈的形式進(jìn)行超快傳輸?！?中國科學(xué)院院士、中科院理化技術(shù)研究所研究員江雷表示，在生命體系中，離子和分子的快速傳輸表現(xiàn)出量子化的超快流體狀態(tài)。

在生命活動中有著重要作用的“生物酶”，在催化生命活動時利用通道大大提高反應(yīng)效率、降低反應(yīng)門檻。

“例如，天然橡膠在橡膠樹中只需要30攝氏度的反應(yīng)溫度就可以合成，而人工合成的反應(yīng)溫度卻高達(dá)92攝氏度。” 江雷解釋，利用“量子限域超流體理論”，仿照自然界“酶的通道”，相關(guān)研究可以把原來的70攝氏度、24小時、產(chǎn)率78%的化學(xué)反應(yīng)，改進(jìn)為一分鐘實現(xiàn)100%產(chǎn)能。

量子視角看“水”，這些事實令人驚呆?？茖W(xué)家們深信，還有更多的意想不到等待探索和挖掘。美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)開展了相關(guān)方向的研究和積累。據(jù)統(tǒng)計，美國自然科學(xué)基金委每年投入4-7千萬美元開展研究，十年發(fā)表論文超過7萬篇。

“我國對水科學(xué)基礎(chǔ)研究的關(guān)注和投入有限，方向比較分散，研究水平有待進(jìn)一步提高，缺乏從國家專業(yè)層面對水科學(xué)基礎(chǔ)理論和實驗技術(shù)發(fā)展的統(tǒng)一規(guī)劃和引導(dǎo)?！睏顕鴺E說。

毋庸置疑，人類對水的認(rèn)識存在嚴(yán)重不足，從水的視角來理解生命、環(huán)、境能源等領(lǐng)域才剛剛起步。

與會專家認(rèn)為，推動重大理論創(chuàng)新應(yīng)做好兩方面的融合，一方面將水科學(xué)研究與相關(guān)學(xué)科進(jìn)行交叉融合，實現(xiàn)對水及其參與的相關(guān)過程的深入和正確的認(rèn)知；另一放面，基礎(chǔ)理論的研究要和應(yīng)用結(jié)合起來，以目標(biāo)領(lǐng)域的重大基礎(chǔ)性問題為導(dǎo)向，從水科學(xué)的量子視角尋求最優(yōu)化答案。

來源：科技日報

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