最小的一滴水有多少個水分子 光譜讓水分子說話

一滴水大約為0.05毫升，約10萬億億個水分子。半滴水0.025毫升，5萬億億個水分子。那么，半滴水還算一個水滴么?如果半滴水算，那半滴水的半滴呢?如此細分下去，終點將是一個水分子。那么，一個水分子能算是一滴水么?如果不算，那最少要多少個水分子才可稱為一滴水?

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

光譜讓水分子說話

我們不妨從一個水分子的視角，來思考這個問題：假設在一滴水中隨機挑選一個水分子，我們叫它W。盡管0.05毫升的一滴水中大約有1021個水分子，但真正圍繞在W周圍的水分子并不多。

我們把W轉移出來，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。于是W和增加的水分子這個整體，就可以被定義為最小的一滴水。這一過程被稱為W的溶劑化。

但W究竟是怎么想的，我們并不知道。得想個辦法讓W告訴我們，它是不是在一滴水中。

幸運的是，水分子每時每刻都處于不斷的運動當中，這被稱為分子振動。每一種分子振動的能量不同。我們可以用光譜學方法，來偵測各類振動的頻率，就如同耳朵聽不同頻率的聲音一樣。

水分子的振動光譜與其周圍的其他水分子密切相關。我們可以利用光譜學這一工具來觀察，隨著周圍水分子個數增加，W的分子振動如何變化。當W的分子光譜與宏觀上水滴的光譜一致時，我們也就找到了最小的這滴水。

不過，科學家迄今還沒有掌握在一個水分子周圍精確增加水分子的技術，而且一個水分子的分子光譜信號太弱，根本沒有辦法偵測到。科學家發現，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個方向。一個方向是利用量子力學方法模擬系統中每一個分子，包括分子中每一個原子、電子的量子相互作用，計算量巨大，這種方法主要用于研究分子的靜態特性。另一個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。另一方面，因為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，化學家將兩種方法結合，來計算W的光譜信息。

尋找最小的水滴

米蘭理工大學的化學家在對比光譜學計算與實驗測得的光譜后發現，當W周圍有4個水分子(即5個分子組成的團)時，它的外圍已經包裹了一層完整的水分子層，分子光譜也與一滴水的光譜比較接近，但還有一些偏差。

他們進一步增加W外圍水分子的個數，發現當有20個水分子，即形成21個水分子的分子團時，計算得到的W分子光譜與實驗值吻合得很好。這說明W此時已經認為自己真的在一滴水中了。于是，研究人員得出結論：最小的這滴水由21個水分子組成。

從極小到極大，現代科學關注自然各個尺度的現象。一方面，科學家不斷將研究目標縮小，小到原子核內部的質子、夸克;另一方面，也不斷將研究目標放大，大到整個星系、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，厚度僅為一層碳原子、徑度卻可延展到幾米的石墨烯，具有優異的電學、力學性能。另比如，電子轉移僅需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宏觀性質。

而微觀和宏觀的界限在哪里，常常不是那么分明。比如在一塊晶體中，晶胞可以被認為擁有晶體很多宏觀性質，但多少個-CH2-重復出現才能算一個聚乙烯分子，似乎就很難嚴格定義了。因為水是生命體系最重要的溶劑，也是很多化學和物理變化的介質，我們找到水分子到宏觀水滴的這個界限，或許可以幫助更好地認知和模擬生命體，理解更多的化學物理過程。

(來源：科普中國中央廚房)