科技改變生活 · 科技引領未來
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◎科技日報記者 張佳星
水，可以稱得上是最簡單的分子，H?O。這個簡單的化學式，在搞物理的人眼里卻蘊含著太多的謎題。
為什么熱水可以比冷水更快結成冰？
為什么4攝氏度水的密度是最大的？（注：按照一般物理規律，溫度越低密度越大）
為什么水結成冰能迅速從無序變成有序？（有研究測算，水分子“站成隊形”的時間只需要0.2皮秒。）
“水有很多反常性質。”在日前召開的香山科學會議“水的微觀結構和動力學”學術討論會上，中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員楊國楨指出，水分子構成非常簡單，但從科學的角度卻極具挑戰性，它結構復雜，常以分子團的形式存在，它結構奇異，呈現出明顯的量子特性。
因此，從原子、分子的層面去理解水的結構和性質，理解它與其他物質相互作用的機理，將對生命科學、能源、材料、環境等領域的重要應用和技術發展帶來重大變革。
重大變革所言非虛，最突出體現在能源資源的利用上。
“在某些金屬表面，氫與氧的結合能會大大降低，有一定的概率，‘氫’是處在自由狀態。”楊國楨解釋，這意味著，存在非常好的催化劑，給人類機會能夠‘抓住’水分子里的自由氫，進而低成本地利用氫作為能源。
也就是說，深入研究水分子在物質表面的狀態，甚至可以幫助人類找到一個神奇的催化劑，助推能源工業跨過“水變氫”的能量鴻溝。
從量子的視角看，還會發現水的另一個重大變化。
“一般認為水在很細的管子里會受阻，流動速度會變慢。”楊國楨說，但當管子細到納米的尺度，一切就不一樣了。
實驗顯示，水分子在納米尺度反而會變得有序，仿佛“一份一份”排成隊，具備量子的特性，能夠迅速集結成隊。因此其在幾納米直徑的管道里的實測流動速度比流體力學理論的預測速度高4—5個數量級（即1萬-10萬倍）。
“這對于海水淡化將帶來顛覆性變革。”楊國楨認為，如果能找到建立微通道的有效辦法，水的流通是不被物質所阻擋著的，一旦實現工業化利用，那么大大降低海水淡化、污水處理等行業的成本，并帶來極大的經濟效益。
科技創新要面向人民生命健康。對于占人體重量70%的水來說，在量子視角深入研究將帶來更意想不到的生命健康的啟示。
“生命體內具有小尺寸獨特結構和表面電荷分布的離子通道，在這些離子通道中，離子和分子會以單鏈的形式進行超快傳輸。” 中國科學院院士、中科院理化技術研究所研究員江雷表示，在生命體系中，離子和分子的快速傳輸表現出量子化的超快流體狀態。
在生命活動中有著重要作用的“生物酶”，在催化生命活動時利用通道大大提高反應效率、降低反應門檻。
“例如，天然橡膠在橡膠樹中只需要30攝氏度的反應溫度就可以合成，而人工合成的反應溫度卻高達92攝氏度。” 江雷解釋，利用“量子限域超流體理論”，仿照自然界“酶的通道”，相關研究可以把原來的70攝氏度、24小時、產率78%的化學反應，改進為一分鐘實現100%產能。
量子視角看“水”，這些事實令人驚呆。科學家們深信，還有更多的意想不到等待探索和挖掘。美國、歐洲、日本等發達國家，已經開展了相關方向的研究和積累。據統計，美國自然科學基金委每年投入4-7千萬美元開展研究，十年發表論文超過7萬篇。
“我國對水科學基礎研究的關注和投入有限，方向比較分散，研究水平有待進一步提高，缺乏從國家專業層面對水科學基礎理論和實驗技術發展的統一規劃和引導。”楊國楨說。
毋庸置疑，人類對水的認識存在嚴重不足，從水的視角來理解生命、環、境能源等領域才剛剛起步。
與會專家認為，推動重大理論創新應做好兩方面的融合，一方面將水科學研究與相關學科進行交叉融合，實現對水及其參與的相關過程的深入和正確的認知；另一放面，基礎理論的研究要和應用結合起來，以目標領域的重大基礎性問題為導向，從水科學的量子視角尋求最優化答案。
來源：科技日報
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