“从结构上来说,水是非常柔软的物质,但在科学上它是非常难啃的一块骨头。水大概有70多条反常特性,目前我们还不能完全了解这些特性内在的机制到底是什么。”江颖北京大学教授非常高兴有机会和大家一起探讨这么熟悉的一个物质——水。水是大家司空见惯的一种物质,但是对科学家而言,水可以说是自然界最复杂的物质之一。到目前为止,仍然需要更多的科学研究去探索水的性质,所以水对于我们来说是一个非常陌生的世界。奇怪的水水可以说无处不在,在地上、地下,甚至在外太空、外星球都能找到水的踪迹。但实际上水非常奇怪,为什么这么说呢?第一个例子我想带大家去南极看一看。南极的气温非常低,很多水会结成冰。但是,在如此冷的地方仍然有很多鱼在自由地生存着。为什么在这么低的温度下鱼不会结冰呢?经过科学研究发现,在这些鱼的血管里有一种叫抗冻蛋白的物质,它可以抑制水变成冰。这是自然界中一个非常有意思的现象,但一直不为大家所知。实际上,水还有很多其它的非常奇怪的性质。比如说,大部分物质从液体变成固体的时候,它的体积会减小。但是水结成冰的时候,它的体积反而会变大,密度会减小,而且水在4℃的时候密度最大。这个现象跟大家的常识是相反的。另外,如果我们来做一个实验,把一瓶热水和一瓶冷水同时放进冰箱,你会发现热水比冷水更快结冰。这也是非常奇怪的现象。此外,还有关于冷冻人、冷冻器官、器官冷藏的研究,实际上跟刚才我们谈到的鱼为什么不结冰是类似的现象。其中很重要的一个课题是,冷冻人体时必须要保证体内的水不能结冰。水一旦结冰,有可能变成小的冰碴,会刺破细胞膜,从而使器官失活。简单地从水结冰这样一个现象来看,事实上有很多物理和化学过程不为大家所知,也需要用更深入的科学手段去探讨这些问题。有人总结过,水大概有70多条反常特性。除了刚才讲的热缩冷胀,即密度的反常,还有很多如高比热、高熔点、热导、张力等特性。这些性质都还处于研究之中,大家还不能完全了解它内在的机制到底是什么。因此,《科学》在创刊125周年的时候,提出了本世纪最具挑战性的125个科学问题,其中一个问题就是“水的结构是什么”,这说明水的结构实际上是了解水的性质最关键的一环。如果我们能从微观上了解清楚水的结构的话,我们就能更好地了解水的很多特性,解开水的世纪难题。水的量子效应大家都知道,水是由水分子构成的,那么水分子长什么样呢?就像这个图里面画的一样。其实水分子很简单,就是两个氢加上一个氧,形成了一个简单的三原子的分子。这是我们都熟知的化学组成。但是,四年前我们在《科学》杂志上发表的一篇文章中提到,水的结构其实并不是这么简单,水具有一些量子效应。什么是量子效应呢?在经典的图像中,简单的水就是两个氢和一个氧,即使给它加热、加一些扰动,它还是这种构型。但是,如果用更精确的手段分析,我们会发现氢原子在空间中有一定的位置涨落,也就是说它没有确定的位置,而是有一些概率上的分布。氢原子的空间涨落现象会对水的结构和性质产生非常大的影响,包括氢键相互作用,从而使水展现出一些非常反常的特性。举一个例子来看,如果我们不考虑氢原子在空间上的量子效应,那么我们体内的很多化学反应可能根本就不会发生,或者说至少会减慢1000倍以上。所以,如果没有水的量子效应,我们人可能就不存在,所有的生物也会不存在。在我们这个工作出来之后,有很多商家推出了一些“量子水”,据说是对我们健康有益的一种水。但是我要说的是,此量子可能非彼量子,大家手里拿的每一瓶水可以说都是量子水,因为量子效应是水本身的一种属性,所以这是一个概念炒作现象。单个水都这么复杂了,那么水和水放在一块儿,它的结构是不是更加复杂呢?水和水之间存在着一种相互作用,这种相互作用叫氢键。什么是氢键?水里面的氧带负电、氢带正电,把水分子放在一块的时候,带正电的氢和带负电的氧会产生相互吸引作用,这个相互吸引作用就是氢键。好比把一个水分子当作是一个人,就像人和人手拉手,就变成了水的网络结构。氢键有很多很奇怪的特性。比如,它有协同性,如果我和另一个人的牵手状态发生变化,那么会影响周围一堆人的状态也发生变化。氢键还有灵活性。如果我把手放开,那么我会很容易地和另外一个人牵手,所以它有一个非常奇怪、非常灵活的特性。另外,