点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:最小的一滴水有多少个水分子
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

最小的一滴水有多少个水分子

来源:科技日报2021-02-25 09:31

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  ◎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)

[ 责编:武玥彤 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 第十一届博博会在海口举办

  • 湖南攸县:小辣椒铺就乡村致富路

独家策划

推荐阅读
技能是劳动者的重要生产禀赋,是其嵌入生产过程、与生产工具协同的关键点。机械化、电气化和自动化催生了产业革命,建立起机器大生产与标准化流水线。在此情境下,对标准化设备的熟练操作成为劳动者的核心技能,“动手能力”成为技能人才的鲜明标签。
2026-11-13 09:55
由自然资源部、国家发展改革委联合印发的《关于“人工智能+自然资源”的实施意见》日前对外发布。《意见》旨在推动人工智能在自然资源领域规模化、产业化创新应用,服务国土空间规划“一张图”智能化升级。
2026-11-13 01:50
天津农业合成生物与生物智造科创园占地41.4亩,布局创新创业、中试、检验检测等七大功能板块,承担的是“从1到10”的成果转化职能。用谯仕彦自己的话说:“实验室实现‘从0到1’,工厂完成规模化制造,二者中间横亘着中试熟化、工程放大、市场验证等重重关口。这座科创园,就是一座跨越转化难关的桥梁。”
2026-11-13 01:50
知识的创新、传播与应用彼此关联,却承担不同的认知任务。把已有道理向更多人讲清楚,可以扩大知识的社会影响;提出此前尚未形成的科学解释,则可能改变人们对世界的认识。评判人工智能在知识生产中的作用,应区分知识传递的效率与知识创新的增量,并考察其在不同知识活动中承担的任务。
2026-11-13 02:20
该井位于渤海中部海域,紧邻渤海最大的富烃凹陷—渤中凹陷,在火山岩地层中累计钻遇超120米天然气层,完钻井深5770米。经测试,该井日产天然气约80万立方米(约2800万立方英尺),展现了海上超深层火山岩领域广阔的勘探前景,有力推动了渤中凹陷天然气勘探进程。
2026-11-13 02:20
绿色算力既是数字基础设施建设的重要方向,也是清洁能源优势转化为发展动能的现实路径。当前,人工智能技术加快迭代,算力在科技创新和产业升级中的基础作用日益凸显,持续增长的计算需求对电力保障能力和能源利用效率提出了更高要求。
2026-11-12 01:30
把两根绳子接起来量一量,总长就出来了,不必先把两段长度换算成数字再相加。模拟计算走的是这条路:不把问题拆成一条条指令,而是让物理规律直接给出结果。北京大学人工智能研究院孙仲团队牵头,联合意大利米兰理工大学、IBM苏黎世研究院和美国一家公司的研究人员,为正在升温的模拟计算研究提出“现代模拟计算”统一框架。相关论文于近日发表。
2026-11-12 01:30
眼下,重庆市彭水苗族土家族自治县的红薯正值采挖时节,一辆辆轻型卡车在通往种植基地的“产业路”上穿梭,将收获的鲜薯运送到县工业园的重庆乐薯农业有限公司,经过严格的品质检测、清洁和一系列加工程序后,便成了人们常见的红薯淀粉。
2026-11-12 02:05
11月10日,记者从山东省泰安市人民政府新闻办举行的发布会获悉,泰安将科学有序、免费开放部分泰山景区等场地,为国内外机器人企业、科研机构提供实景训练测试条件,同时统筹做好场景供需对接、数据算力支撑、落地服务保障等,推动泰安新型工业化强市建设。
2026-11-12 02:05
当前,全球新一轮科技革命和产业变革加速演进,以生成式人工智能为代表的通用目的技术正从生产端加速向消费端传导。餐饮住宿、文旅出行、养老照护、教育培训、家政美容等服务消费,直接关系到千家万户的日常生活品质。推动人工智能在服务领域深度应用,让前沿技术成果惠及更多消费者,已成为各国促进消费、提升服务业竞争力的共同关注点。
2026-11-12 02:15
全透明光伏发电玻璃可使玻璃幕墙建筑成为分布式光伏电站;新一代柔性太阳能电池阵,能为中国空间站提供电力保障。下一步,我们要高水平推进“中国碳谷”建设,形成创新合力,打通基础研究、技术攻关、产业孵化和品牌塑造全链条。
2026-11-11 09:27
国家卫生健康委、国家医保局、国家中医药局、国家疾控局共同制定印发《关于进一步做好创新药安全合理配备使用工作的通知》,满足群众多元化用药需求,提高疾病治疗效果,保障医疗质量安全。
2026-11-11 01:45
培育和发展新质生产力急需高质量创新人才。高校的独特之处,在于教育、科技、人才要素集聚,它处在科技第一生产力、人才第一资源、创新第一动力的结合点上,也承担着将三者统合起来的制度功能。
2026-11-11 01:45
与其说是AI解出了难题,不如说是人类在AI的协助下拓展了边界。这带来的不仅是解题速度的提升,更是一场深刻的科研范式之变。
2026-11-11 01:45
主动对接国家西部战略和甘肃现代产业体系建设
2026-11-11 01:45
“把技术真正用到生产线上,把产品的附加值提上去,为三峡库区的发展出一份力。”11月7日,重庆三峡医药高等专科学校青年教师黎春红,在重庆国际人才交流大会第四届重庆三峡人才节开幕式上的发言,道出了扎根库区青年人才的共同心声。
2026-11-11 01:45
2026文化科技产业发展论坛9日在湖南长沙开幕,在论坛现场,2026文化科技融合十大典型案例以及20个创新案例发布。
2026-11-10 01:40
访客随手拿起一张,掏出手机或用现场扫码器扫一扫二维码,技术亮点、应用场景、项目负责人信息等全部跃然眼前。厚重的专利卷宗、深奥的学术论文,就这样化作产业人士可以快速读懂的内容。
2026-11-10 01:40
镜头这边,是华东政法大学研支团的黄祖维、常秩豪、杨朗;镜头那头,是云南普洱景东华政附属三合麦地小学的小学生,和新疆喀什巴楚县第二中学的初高中生。500多个孩子,隔着屏幕看进博。这是华政研支团连续第五年开展“云端看进博”,3位讲师刚结束一年支教,曾站在这两处山乡讲台,如今是进博会的“小叶子”。
2026-11-10 02:00
事实上,这并不是镜片行业一次偶然的“乱”。这背后,是标准的缺失与监管模糊地带的长久存在。眼镜虽小,却关乎几亿人的明亮“视”界。近视防控镜片行业信任的“标尺”,不仅应尽快立起来,更要立得牢。
2026-11-10 01:40
加载更多