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关于液态水的结构

已有 11850 次阅读 2008-7-17 14:25 |个人分类:科普科普|系统分类:科研笔记

关于液态水的结构


2008.07.17


对人类来说,水最有趣,也最深不可测。


因为最近在为所谓10000个科学难题写有关“液态水的结构”的条目,所以今天科学网上的新闻《现有液态水结构理论存在错误》的新闻很是吸引了一下我的眼球。


《现有液态水结构理论存在错误》新闻链接:http://www.sciencenet.cn/htmlpaper/20087161454564212796.html


可以负责任地说,这条新闻过于危言耸听。因为到目前为止,国际上公认的是关于液态水的结构还没有一个统一的理论能够比较一致地定量描述液态水的结构和异常液态特性。


该新闻报道中提及的那一组科学家,2004年在Science发表一篇文章(Science 304, 995, 2004),声称液态水中每一个水分子主要是略多于二配位的氢键结构,而不是惯常以为的四配位结构,当时的确引起了一些骚动。这一结果以及当年的一些关于界面水分子结构的研究一起在当年被评为Science的十大科学进展之一(Breakthroug of the year,Science, 306, 2013-2017, 2004)。Science每年的十大科学进展常常有一些很扯淡的东西,比如同一年的十大进展中就有黄禹锡作假的那个人类胚胎干细胞克隆的工作。不过Science的编辑在推荐有关液态水结构的工作时还是相当谨慎的,Science的编辑警告说:

Don't rewrite the chemistry textbooks just yet: More-recent x-ray data back up the original structure, and debate will likely rage through 2005.


译文:且莫着急重写教科书:更多最近的X射线数据依然支持原来的结构,而且激烈的争论将在2005年中继续。


自2005年以来,大多数的实验和理论的研究论文都声称支持原来的四配位结构,不过依然无法提供比较一致地定量描述液态水的结构的理论。2008年5月23日的一篇Physical Review Letters文章(PRL 100, 207403,2008.)依然认为传统的四配位结构(the conventional fourfold coordinated water)是合理的。


根据我们的相关研究和对相关光谱学证据的理解,我个人颇怀疑液态水的动态结构会是四配位的,不过这并不意味着我会赞同这一组科学家对他们的X射线或X射线光电子谱数据的解释。总之,这是一个颇具争议的科学问题,还没有完全公认的可靠的答案。


有关界面水分子的结构方面的结果,同样是充满争议。2004年Science上介绍的那些进展,现在人们也有了相当不同的一些看法。我们在2006年以来发表的一系列的关于界面水分子光谱测量的实验结果,是目前重复性和可靠性最好的结果之一,它们对前一段时间国际上流行的一些结论也给出了相当不同的解释。最近我们正在整理如何一致地比较这些不同结果和解释的文献和数据。我个人觉得,关于界面水分子的研究目前在实验数据上都还存在很多不能重复的和矛盾的结果,进一步的理论解释尚待时日。下个月奥运会期间我将去参加的两个界面水分子结构的研讨会上,各路专家肯定又会争论得不可开交,但愿到时候能够得到更多的共识。


“液态水的结构”是一个公认的科学难题。其主要原因是因为液态水中的复杂的动态氢键解构没有办法通过定量的第一性原理的理论计算得到能够与实验测量结果进行直接的对比。而不同的实验方法,如X射线和中子散射,以及红外与Raman光谱和动力学测量等方法得到的实验结果往往并不支持一致的理论计算结果。除了直接的对液态水结构的理论和实验研究之外,对液态水溶液界面水分子的结构研究也许能够为了解液态水的结构提供新的方法和证据。当然,界面水分子的研究还有其它的重要的科学意义,比如对生命和环境过程中的界面和膜结构和过程的认识等等。这些都是非常专门的研究领域,在科学和应用上非常重要,不过一窝蜂地去研究往往并不能奏效,会很大地依赖于理论和方法上的新思想和新手段。


总之,人类对于液态水的结构的认识虽然还有很多疑问,其实已经非常深入。关心此问题的人可以参阅Martin Chaplin教授的Water Structure and Science研究资料网站。除了一些最新的研究论文还没有收录进去之外,这个网站已经收录了1000多篇和液态水有关的研究论文,并且按照不同科学问题和方法进行了分门别类的综述,其中也包含不少的具有科普性质的内容。


Martin Chaplin的《Water Structure and Science》资料网站:http://www.lsbu.ac.uk/water/index2.html



https://blog.sciencenet.cn/blog-176-32480.html

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