200多年來(lái)，沒(méi)有人能夠在原子層面上解釋水是如何導(dǎo)電的...

水是一種電導(dǎo)體，這是在科學(xué)課上都會(huì)教的一個(gè)基本常識(shí)——當(dāng)然這也是為什么水系神奇寶貝怕放電類(lèi)型的。但說(shuō)實(shí)在的，盡管水導(dǎo)電的現(xiàn)象看似很簡(jiǎn)單，但200多年來(lái)，沒(méi)有人能夠在原子層面上解釋水是如何導(dǎo)電的。

有趣的是，雖然在周?chē)澜缈吹降乃际橇茧妼?dǎo)體，在實(shí)驗(yàn)室之外很罕見(jiàn)的超純水實(shí)際上不導(dǎo)電，因?yàn)樗狈ψ杂呻娮印５?，在自然界中，幾乎所有的水都?huì)與沉積物和礦物質(zhì)混合，從而電離水分子并使之導(dǎo)電。

但一直以來(lái)，科學(xué)家還沒(méi)辦法解釋質(zhì)子(氫原子核)本質(zhì)上是如何在水中移動(dòng)的。在化學(xué)和生物學(xué)中，這個(gè)基本過(guò)程還未有一個(gè)強(qiáng)有力的解釋。直到現(xiàn)在，由耶魯大學(xué)化學(xué)教授Mark Johnson領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員首次對(duì)水分子中發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移拍攝了光譜快照，終于揭開(kāi)了水如何導(dǎo)電之謎。

科學(xué)家終于知道水的導(dǎo)電過(guò)程是水分子通過(guò)氧原子將質(zhì)子從一個(gè)水分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)水分子，就像分子接力賽一樣。水分子的導(dǎo)電過(guò)程被稱(chēng)為格羅特斯機(jī)理，化學(xué)家特奧多爾·格羅特斯于1806年首次對(duì)此進(jìn)行了描述，兩百多年之后終于在原子層面上得到了解釋。下圖是水分子導(dǎo)電的機(jī)理圖：

紅色為氧原子，灰色為氫原子

多年來(lái)在分子水平上研究水的化學(xué)性質(zhì)為Johnson的團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)優(yōu)勢(shì)。他們能夠凍結(jié)化學(xué)過(guò)程，得以捕獲分子的瞬態(tài)，從而揭示由于格羅特斯機(jī)理導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化。

為了提高圖像的清晰度，研究人員只使用了5個(gè)“重水”分子(由氫的同位素氘和氧組成的化合物)，然后將之冷卻至接近絕對(duì)零度(零下273.15攝氏度)。這樣，一切過(guò)程都被放慢，質(zhì)子運(yùn)動(dòng)的圖像也就能變得更加清楚了。

本質(zhì)上，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的是一種羅塞塔石碑(解釋古埃及象形文字的可靠線(xiàn)索)。這提供了關(guān)于水及其導(dǎo)電性能的新見(jiàn)解，而此現(xiàn)象是地球上許多化學(xué)反應(yīng)的一部分。

除此之外，該研究團(tuán)隊(duì)使用的技術(shù)也是革命性的。它也可以使我們一窺水的其他性質(zhì)，例如其神秘的第二種液態(tài)。

盡管水無(wú)處不在，但它是宇宙中最不可思議的分子之一。對(duì)水及其導(dǎo)電性在原子層面進(jìn)行更深入的研究，可揭示科學(xué)家先前錯(cuò)過(guò)或誤解的東西。