最小的一滴水有多少個(gè)水分子 光譜讓水分子說(shuō)話
發(fā)布時(shí)間：2025-08-17 | 來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)載和整理
一滴水大約為0.05毫升，約10萬(wàn)億億個(gè)水分子。半滴水0.025毫升，5萬(wàn)億億個(gè)水分子。那么，半滴水還算一個(gè)水滴么?如果半滴水算，那半滴水的半滴呢?如此細(xì)分下去，終點(diǎn)將是一個(gè)水分子。那么，一個(gè)水分子能算是一滴水么?如果不算，那最少要多少個(gè)水分子才可稱(chēng)為一滴水?
2020年年底，發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)旗艦期刊《化學(xué)科學(xué)》上的一項(xiàng)研究，報(bào)告了答案：米蘭理工大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，21個(gè)水分子組成的分子團(tuán)，與宏觀的一滴水的光譜基本吻合。也就是說(shuō)，最少需要21個(gè)水分子才可以組成一滴水。
光譜讓水分子說(shuō)話
我們不妨從一個(gè)水分子的視角，來(lái)思考這個(gè)問(wèn)題：假設(shè)在一滴水中隨機(jī)挑選一個(gè)水分子，我們叫它W。盡管0.05毫升的一滴水中大約有1021個(gè)水分子，但真正圍繞在W周?chē)乃肿硬⒉欢唷?/p>
我們把W轉(zhuǎn)移出來(lái)，在其周?chē)粩嘣黾铀肿?，直到W覺(jué)得，周?chē)乃肿铀坪醺耙粯佣嗔恕４藭r(shí)W相信，自己處在一滴水中。于是W和增加的水分子這個(gè)整體，就可以被定義為最小的一滴水。這一過(guò)程被稱(chēng)為W的溶劑化。
但W究竟是怎么想的，我們并不知道。得想個(gè)辦法讓W(xué)告訴我們，它是不是在一滴水中。
幸運(yùn)的是，水分子每時(shí)每刻都處于不斷的運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，這被稱(chēng)為分子振動(dòng)。每一種分子振動(dòng)的能量不同。我們可以用光譜學(xué)方法，來(lái)偵測(cè)各類(lèi)振動(dòng)的頻率，就如同耳朵聽(tīng)不同頻率的聲音一樣。
水分子的振動(dòng)光譜與其周?chē)钠渌肿用芮邢嚓P(guān)。我們可以利用光譜學(xué)這一工具來(lái)觀察，隨著周?chē)肿觽€(gè)數(shù)增加，W的分子振動(dòng)如何變化。當(dāng)W的分子光譜與宏觀上水滴的光譜一致時(shí)，我們也就找到了最小的這滴水。
不過(guò)，科學(xué)家迄今還沒(méi)有掌握在一個(gè)水分子周?chē)_增加水分子的技術(shù)，而且一個(gè)水分子的分子光譜信號(hào)太弱，根本沒(méi)有辦法偵測(cè)到?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)建立模型，就可以模擬得到在W周?chē)砑铀肿訒r(shí)，它的光譜如何變化。
化學(xué)中對(duì)分子的模擬主要有兩個(gè)方向。一個(gè)方向是利用量子力學(xué)方法模擬系統(tǒng)中每一個(gè)分子，包括分子中每一個(gè)原子、電子的量子相互作用，計(jì)算量巨大，這種方法主要用于研究分子的靜態(tài)特性。另一個(gè)方向是利用分子動(dòng)力學(xué)方法，將分子想象成是剛性原子用彈簧連接而成，分子之間的作用主要考慮靜電相互作用，計(jì)算量小，可以方便模擬分子振動(dòng)這樣的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
W的分子振動(dòng)自然是動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要使用分子動(dòng)力學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，因?yàn)樗肿又g是氫鍵相互作用，又不得不同時(shí)考慮量子力學(xué)效應(yīng)。因此，化學(xué)家將兩種方法結(jié)合，來(lái)計(jì)算W的光譜信息。
尋找最小的水滴
米蘭理工大學(xué)的化學(xué)家在對(duì)比光譜學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光譜后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)W周?chē)?個(gè)水分子(即5個(gè)分子組成的團(tuán))時(shí)，它的外圍已經(jīng)包裹了一層完整的水分子層，分子光譜也與一滴水的光譜比較接近，但還有一些偏差。
他們進(jìn)一步增加W外圍水分子的個(gè)數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有20個(gè)水分子，即形成21個(gè)水分子的分子團(tuán)時(shí)，計(jì)算得到的W分子光譜與實(shí)驗(yàn)值吻合得很好。這說(shuō)明W此時(shí)已經(jīng)認(rèn)為自己真的在一滴水中了。于是，研究人員得出結(jié)論：最小的這滴水由21個(gè)水分子組成。
從極小到極大，現(xiàn)代科學(xué)關(guān)注自然各個(gè)尺度的現(xiàn)象。一方面，科學(xué)家不斷將研究目標(biāo)縮小，小到原子核內(nèi)部的質(zhì)子、夸克;另一方面，也不斷將研究目標(biāo)放大，大到整個(gè)星系、宇宙。而在這小和大的中間，存在許多跨尺度的有趣現(xiàn)象。
比如，21個(gè)水分子組成的納米尺度下的一滴水，在一定程度上具備宏觀上一杯水的特征。又比如，厚度僅為一層碳原子、徑度卻可延展到幾米的石墨烯，具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能。另比如，電子轉(zhuǎn)移僅需10-12秒，但電池充電卻需要數(shù)小時(shí)。這些跨越時(shí)空尺度的問(wèn)題，溝通了物質(zhì)的微觀組成與宏觀性質(zhì)。
而微觀和宏觀的界限在哪里，常常不是那么分明。比如在一塊晶體中，晶胞可以被認(rèn)為擁有晶體很多宏觀性質(zhì)，但多少個(gè)-CH2-重復(fù)出現(xiàn)才能算一個(gè)聚乙烯分子，似乎就很難嚴(yán)格定義了。因?yàn)樗巧w系最重要的溶劑，也是很多化學(xué)和物理變化的介質(zhì)，我們找到水分子到宏觀水滴的這個(gè)界限，或許可以幫助更好地認(rèn)知和模擬生命體，理解更多的化學(xué)物理過(guò)程。
(來(lái)源：科普中國(guó)中央廚房)