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 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 海阔催人进,扬帆正当时——海南自由贸易港正远航

  • 河北唐山港一季度吞吐量同比增长22.93%

独家策划

推荐阅读
记者4月12日从哈尔滨工业大学获悉,该校生命科学院何元政教授团队首次利用冷冻电镜对人组胺受体复合物(1/Gq)的结构进行了解析,锁定了配体组胺在人组胺受体1蛋白活性口袋中的位置,为今后过敏性疾病新药设计开发提供了重要依据。
2021-04-14 09:45
研究结果显示,人血清白蛋白药物递送纳米系统可显著提高治疗药物的入脑效率和脑内滞留能力。阿尔茨海默病小鼠模型显示,该纳米药物可改善神经元形态学改变,挽救记忆障碍,减缓疾病的发病进程。
2021-04-14 09:44
4月9日,记者从中国热带农业科学院获悉,该院橡胶所育种团队在橡胶树CRISPR/Cas9质粒编辑体系研究方面取得重要进展,率先建立了橡胶树CRISPR/Cas9基因编辑体系。
2021-04-14 09:42
在连续220个小时的“耐力”测试中,以这种新型沸石分子筛催化的有氧脱氢过程,保持了高达83%的选择性,转化率为32.9%—43.7%,各项性能稳定。
2021-04-14 09:40
3月下旬,一则新闻在朋友圈中被多次转发,伊斯坦布尔梅德尼耶大学哈桑教授,在土耳其国家电视台的一档电视节目中介绍了来自中国的室内定位技术在土耳其防疫中的贡献。
2021-04-14 09:37
3月27日,随着项目总指挥下达指令,位于连云港的国家重大科技基础设施“高效低碳燃气轮机试验装置”CTF#1燃烧室首套试验平台顺利点火,标志着该试验平台完成分系统调试并取得了阶段性进展,项目建设步入快车道。
2021-04-14 09:36
近年来,非洲猪瘟对我国部分地区生猪养殖造成一定影响。母猪的终身繁殖性能较低,生产同步化不一致,复养仔猪数量不足,是我国生猪养殖业面临的共同问题。
2021-04-14 09:35
据《自然·机器智能》杂志报道,德国科学家借助一款深度学习软件,对数万个医疗数据集展开分析后,确定了165个与癌症有关的新基因。最新研究为个性化药物靶向治疗以及生物标志物开发开辟了新前景。
2021-04-14 09:33
4月13日,上海科普教育促进中心发布第四期《全国各省(市)科学传播发展指数报告》,本期报告以《中国科普统计(2019年版)》中全国31个省(市)的统计数据为基础(港澳台地区除外),采用数学建模的方法进行量化计算分析,从科普场地、科普人员、科普活动、科普经费、科普传媒等多维度综合评估地区科学传播发展水平。
2021-04-14 09:31
“国家能源集团加快新能源等项目发展步伐,今年一季度累计完成投资106.8亿元,同比增长34.2%。围绕新能源‘1500万+’任务,一季度已明确开工计划694万千瓦、投产计划627万千瓦,展现良好发展势头。”4月13日,在国家能源集团召开的“奋进‘十四五’ 全力开新局”新闻发布会上,国家能源集团新闻发言人张玉新报告了这一喜讯。
2021-04-14 09:29
重庆到北京再添新通道。4月13日,记者从京昆高速铁路西昆有限公司获悉,随着中铁十一局承建的渝昆高铁中梁山隧道正洞开挖、泸州沱江特大桥主墩桩基础施工,标志着渝昆高铁川渝段全面开工建设。
2021-04-14 09:28
4月13日,记者从全国“爱鸟周”40周年纪念活动暨北京市“爱鸟周”仪式上获悉,我国是世界上鸟类种数最多的国家之一,现有鸟类1445种,其中国家重点保护野生鸟类394种。
2021-04-14 09:20
12日,南方电网发行了首笔乡村振兴债券,募集资金人民币50亿元,期限三年,利率为3.47%。这是债券市场目前发行规模最大的乡村振兴债券。募集到的资金主要用于广东、广西、云南、贵州、海南等南方五省区的农村电网基础设施提档升级,助力“十四五”乡村振兴。
2021-04-14 09:17
春暖花开的4月,四川省攀枝花三线大道北段繁花似锦,一抹抹紫色的花包围着攀枝花中国三线建设博物馆,令人一见之下,只觉灿烂而耀眼,不禁回想起那场声势浩大的“三线建设”。
2021-04-14 09:15
记者13日从国家航天局获悉,为充分发挥月球样品科研价值,规范科研样品管理工作,依据《月球样品管理办法》,该局设立月球样品专家委员会(以下简称样品委员会)。首届样品委员会于近日成立。
2021-04-14 09:14
4月13日,石家庄市太行国宾馆,河北农业大学教授马峙英在河北省科学技术奖励大会颁奖台上,从河北省委书记王东峰手中接过河北省科学技术突出贡献奖证书。
2021-04-14 09:13
记者从中国科学技术大学获悉,该校潘建伟院士及其同事张强与其他团队合作,采用不同理论方法,在国际上首次实现设备无关的量子随机性扩展,为设备无关量子随机数的实用化奠定坚实基础。相关研究成果近日分别发表于《自然·物理学》和《物理评论快报》。
2021-04-14 09:10
我国是世界上最大的小麦生产国和消费国。中国农业科学院近日公布的一组数据显示:我国小麦2020年播种面积比2011年减少2700万亩,但产量增加1300万吨。
2021-04-14 09:41
26年来,刘公社带领的草种资源与分子育种研究组为国家种质资源库贡献羊草资源260份。构建起从实验室到田间的系统化羊草育繁推体系,研发的中科羊草系列品种在我国内蒙古、新疆、陕西、甘肃等地已得到大力推广。
2021-04-13 09:41
刚刚过去的假期,山东科技大学教授王友清几乎都是在实验室度过的,他想早日让糖尿病患者用上“智能胰脏”。他研制的“智能胰脏”能根据患者血糖动态变化,实时调节胰岛素注射速度。
2021-04-13 09:38
加载更多