200年後科學家們終於看見了水是如何導電的過程!

這是一個醞釀了百年的教科書時刻:超過200年後,科學家開始研究水分子如何導電,一個團隊隊終於親眼目睹了第一手發生的一切。

大部分自然水的導電性能非常的好,這一點都不驚訝,這是我們大多數人從小學就被教的事實。但是,儘管這個過程是如何的基本,沒有人能找出它實際上在原子等級裡是如何發生的。

團隊成員之一來自華盛頓大學的Anne McCoy說,「在化學和生物學的基本過程都沒有一個堅定的解釋,現在我們找到了可以給我們更完整圖片的那一塊拼圖,質子在本質上是如何在水中移動。」

由耶魯大學Mark Johnson帶領的研究人員,能夠親眼目睹水分子傳遞質子(帶正電荷的亞原子粒子),用光譜看,一個能讓研究人員向分子射光線的過程,看看裡面發生了什麼事。

有趣的是,雖然在你周圍的世界所看到的水是一個很好的導電體,然而在實驗室很外少見的完全純淨的水,實際上並不導電,因為它們缺乏自由電子(free electron)。

但是,在自然界中,幾乎所有的水會與沉澱物和礦物質混合,其中的離子化水分子能允許它們導電。

到現在為止,所有的研究人員真的知道的過程只有,H2O會從分子的氧原子中在分子之間傳遞質子,有點像一個分子接力賽。

這個過程稱為格羅特斯機制(Grotthuss mechanism),由化學家西奧多·格羅特斯(Theodor Grotthuss)在1806年第一次被描述。

Johnson說,「氧原子幾乎不太需要移動,這是一種類似牛頓擺,一種兒童的玩具,有著一排用繩子懸掛著的鋼球。如果你拿起一個球讓它打到一整排的球,只有最後一顆球彈開,其他的球將自然的不動。」

從下面的動畫,你可以看到關於格羅特斯機制的說明:

但直到最近,這個動畫只描述到我們目前知道的細節。雖然研究人員對於這個機制如何在表面上運作有個大致的想法,但是到底這個怎麼發生的的確切細節仍然令人陷入沮喪的黑暗。

因此,在過去的200年裡,研究人員一直在尋找一個可以實驗的方法來看到導電時,水分子結構的變化,一個被證明是非常困難的挑戰。

近年來,研究人員一直試圖利用紅外線掃描來監測這個過程,但結果出來後看上去仍是一張模糊的照片,沒有明顯的細節。

Johnson解釋,「事實上,這個模糊似乎是太嚴重以致於難讓色彩與結構之間有個可以令人說服力的連接。」

為了一勞永逸弄清楚,Johnson和他的團隊發現了一種快速凍結這化學過程的方法,所以快照的時刻在這個過程中可以被隔離並及時凍結,使他們可以一探究竟。

他們使用的五個分子的「重水」,用氫的同位素氘所製成的水,然後將分子冷卻到接近絕對零度(-273.15攝氏或-459.67華氏)。

當他們這樣做,它讓所有事物都緩慢下來,突然間質子在動的影像變得比以前清晰許多。

Johnson說,「從本質上講,我們發現了一種羅塞塔石碑(Rosetta Stone),可以揭開在顏色裡的結構資訊。我們能夠揭開一個協調的序列,像電影的每一幕。」

這個新的理解將提供關於水導電的關鍵見解,一個讓我們能活著的現象,也是地球上的很多化學反應的關鍵。

但它也可以幫助解釋其他的奧秘,例如關於水的表面是否比其餘部分有更多或更少酸性的長期爭論。這種新的成像技術可以一勞永逸地回答這個問題。

它還可以揭開一些其他最近發現關於水奇怪的行為,如第二液相的神祕存在,以及其在奈米碳管裡達到沸點時可以結成固體

團隊現在想要用更多的水分子以及其他小分子再次進行實驗,來了解導電的變化。

這看起來可能是毫無意義窺看我們已經知道存在有的過程,但這樣基礎的研究是讓我們了解我們周圍世界的關鍵。

畢竟,只有當我們真正知道物質在最小的層面上如何表現,我們才有機會了解宇宙的其餘部分的宇宙。儘管如此無處不在的水,仍然是宇宙裡一個最古怪的分子。

這篇研究已經發表在Science期刊裡

來源:Science alert

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