多少個(ge) 水分子，才能叫一滴水？新研究認為(wei) ，至少要21個(ge) 。少一個(ge) ，都不能叫水滴。

　　作者 | 李存璞 重慶大學化學化工學院副教授

　　如果有一堆沙土，拿走一粒沙子，剩餘(yu) 的還是一堆沙土；可是如果一直不停地拿走，到最後隻剩下一粒沙子時，它還是一堆沙土嗎？這是古希臘哲學家歐布裏德在公元前4世紀提出的沙堆悖論。同樣的問題也可以用來追問我們(men) 的生命之源——水。

　　一滴水大約為(wei) 0.05毫升，約10萬(wan) 億(yi) 億(yi) 個(ge) 水分子。半滴水0.025毫升，5萬(wan) 億(yi) 億(yi) 個(ge) 水分子。那麽(me) ，半滴水還算一個(ge) 水滴麽(me) ？如果半滴水算，那半滴水的半滴呢？如此細分下去，終點將是一個(ge) 水分子。那麽(me) ，一個(ge) 水分子能算是一滴水麽(me) ？如果不算，那最少要多少個(ge) 水分子才可稱為(wei) 一滴水？

　　2020年12月，發表在英國皇家化學會(hui) 旗艦期刊《化學科學》上的一項研究，報告了答案：米蘭(lan) 理工大學的科學家發現，21個(ge) 水分子組成的分子團，與(yu) 宏觀的一滴水的光譜基本吻合。也就是說，最少需要21個(ge) 水分子才可以組成一滴水。
 

　　水分子到水滴：微觀到宏觀的質變

　　我們(men) 的世界充斥著從(cong) “量變到質變”湧現出的特性：

　　有序排列的碳原子個(ge) 數逐漸增加，最終變為(wei) 晶瑩剔透的鑽石，其超高的硬度並非碳原子自身的特性，而是大量碳原子的集體(ti) 行為(wei) 。一粒麵粉不軟也不硬，但許多麵粉就可以被做成煎餅、麵包、麵條、饅頭等，這些食物的特性並非由一粒麵粉決(jue) 定，而是大量麵粉的集體(ti) 行為(wei) 。每個(ge) 隊員球技看似都湊合，整個(ge) 足球隊卻可以輸掉每場比賽，似乎沒有人應該對輸掉比賽負責，但11個(ge) 人的整體(ti) 就具備了易輸特性。

　　與(yu) 此類似，水具有優(you) 秀的溶解能力、極高的比熱容、適宜的粘度，這些都不是單個(ge) 水分子帶來的特性，而是眾(zhong) 多水分子聚集而成的“一滴水”才具有的性質。那麽(me) ，最少需要多少個(ge) 水分子才能被視為(wei) 一滴水呢？

　　我們(men) 不妨從(cong) 一個(ge) 水分子的視角，來思考這個(ge) 問題：假設在一滴水中隨機挑選一個(ge) 水分子，我們(men) 叫它W。盡管0.05毫升的一滴水中大約有1021個(ge) 水分子，但真正圍繞在W周圍的水分子並不多。

　　我們(men) 偷偷把W轉移出來，讓它孤零零。然後，在其周圍不斷增加水分子，直到W覺得，周圍的水分子似乎跟之前一樣多了。此時W相信，自己處在一滴水中。於(yu) 是W和增加的水分子這個(ge) 整體(ti) ，就可以被定義(yi) 為(wei) 最小的一滴水。這一過程被稱為(wei) W的溶劑化（Solvation）。

　　但W究竟是怎麽(me) 想的，我們(men) 並不知道。得想個(ge) 辦法讓W告訴我們(men) ，它是不是在一滴水中。
 

　　光譜：讓水分子說話

　　探測水分子如同認識一個(ge) 人，一張朋友圈的靜態照片難以給我們(men) 太多信息，要實現深入了解，就必須“觀其言而察其行”。

　　幸運的是，水分子都是廣場舞大師：每時每刻都處於(yu) 不斷地運動當中，這被稱為(wei) 分子振動。每一種分子振動的能量不同。我們(men) 可以用光譜學方法，來偵(zhen) 測各類振動的頻率，就如同耳朵聽不同頻率的聲音一樣。

　　水分子的振動光譜與(yu) 其周圍的其他水分子密切相關(guan) 。這也很好理解，一個(ge) 人在操場做廣播體(ti) 操，姿態當然與(yu) 周圍有其他人時不同，如果邊上還有暗戀對象，則動作可能更顯妖嬈。

　　於(yu) 是，我們(men) 可以利用光譜學這一工具來觀察，隨著周圍水分子個(ge) 數增加，W的分子振動如何變化。當W的分子光譜與(yu) 宏觀上水滴的光譜一致時，我們(men) 也就找到了最小的這滴水。

　　不過，我們(men) 迄今還沒有掌握在一個(ge) 水分子周圍精確增加水分子的技術，而且一個(ge) 水分子的分子光譜信號太弱，根本沒有辦法偵(zhen) 測到。人類做不到，幸好計算機可以。通過計算機建立模型，就可以模擬得到在W周圍添加水分子時，它的光譜如何變化。

　　化學中對分子的模擬主要有兩(liang) 個(ge) 方向。一個(ge) 方向是利用量子力學方法模擬係統中每一個(ge) 分子，包括分子中每一個(ge) 原子、電子的量子相互作用，計算量巨大，主要用於(yu) 研究分子的靜態特性。另一個(ge) 方向是利用分子動力學方法，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，計算量小，可以方便模擬分子振動這樣的動態過程。

　　W的分子振動自然是動態過程，需要使用分子動力學方法來實現。另一方麵，因為(wei) 水分子之間是氫鍵相互作用，又不得不同時考慮量子力學效應。因此，化學家將兩(liang) 種方法結合，來計算W的光譜信息。
 

　　尋找最小水滴

　　米蘭(lan) 理工大學的化學家在對比光譜學計算與(yu) 實驗測得的光譜後發現，當W周圍有4個(ge) 水分子（即5個(ge) 分子組成的團）時，它的外圍已經包裹了一層完整的水分子層，分子光譜也與(yu) 一滴水的光譜比較接近，但還有一些偏差。說明僅(jin) 僅(jin) 一層水分子的包圍還不能讓W感到安心。

　　他們(men) 進一步增加W外圍水分子的個(ge) 數，發現當有20個(ge) 水分子，即形成21個(ge) 水分子的分子團時，計算得到的W分子光譜與(yu) 實驗值吻合得很好。這說明W此時已經認為(wei) 自己真的在一滴水中了。我們(men) 成功找到了最小的這滴水，它由21個(ge) 水分子組成！

　　之前有商家宣稱，5~8個(ge) 水分子組成的微小水分子團，具有高滲透力、高擴散力、高溶解力、高含氧量、弱堿性等特點，是更為(wei) 優(you) 質的水。這當然是偽(wei) 科學，因為(wei) 在水中，水分子處於(yu) 連續變化的氫鍵網絡裏，並不存在一個(ge) 個(ge) 孤立穩定的“小分子團”。而且，根據這個(ge) 新研究，至少要21個(ge) 水分子才算得上一滴水。商家的偽(wei) 科學星空体育官网入口网站又該更新了。
 

　　跨越時空尺度，溝通微觀與(yu) 宏觀

　　從(cong) 極小到極大，現代科學關(guan) 注自然各個(ge) 尺度的現象。一方麵，科學家不斷將研究目標縮小，小到原子核內(nei) 部的質子、誇克；另一方麵，也不斷將研究目標放大，大到整個(ge) 星係、宇宙。而在這小和大的中間，存在許多跨尺度的有趣現象。

　　比如，21個(ge) 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(jin) 為(wei) 一層碳原子、徑度卻可延展到幾米的石墨烯，具有優(you) 異的電學、力學性能。另比如，電子轉移僅(jin) 需10-12秒，但電池充電卻需要數小時。這些跨越時空尺度的問題，溝通了物質的微觀組成與(yu) 宏觀性質。

　　而微觀和宏觀的界限在哪裏，常常不是那麽(me) 分明。比如在一塊晶體(ti) 中，晶胞可以被認為(wei) 擁有晶體(ti) 很多宏觀性質，但多少個(ge) -CH2-重複出現才能算一個(ge) 聚乙烯分子，似乎就很難嚴(yan) 格定義(yi) 了。因為(wei) 水是生命體(ti) 係最重要的溶劑，也是很多化學和物理變化的介質，我們(men) 找到水分子到宏觀水滴的這個(ge) 界限，或許可以幫助更好地認知和模擬生命體(ti) ，理解更多的化學物理過程。

　　從(cong) 今往後，無論是喝下一滴酒，還是流下一滴淚，除了沉浸在一時悲喜中，我們(men) 或許還要重新計算一下，它們(men) 到底包含多少水滴，噫，悲喜好像都升級了呢。

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