电解质溶解比你想象的复杂得多！

水既简单又复杂。一个水分子仅由三个原子组成。但水分子却总是表现出令人吃惊的集体效应。连接水分子的氢键每秒钟都断裂形成上万亿次。正是这些氢键使水分子拥有了那些独特又奇妙的性质。地球上的生命体大约含有60%的水分，而这些水中又都溶解了一些生命必须的电解质。因此理解离子与水分子间的相互作用对于理解生命过程有重要意义。

百万分子齐作用

洛桑联邦理工学院（EPFL）Sylvie Roke博士领导的生物光子学实验室证明了水分子网络结构对离子异常敏感，远超过以往的认知。基于多尺度分析，一个离子大约能影响一百万个水分子的行为，而此前科学界一直认为只会影响100个水分子。在这篇发表在《科学进展》（Science Advances）的文章中，作者用一种称为飞秒弹性二次谐波散射（Femtosecond elastic second harmonic scattering, fs-ESHS）的技术观测到到离子使数百万水分子的氢键发生“扭曲”，并使20纳米范围内的水分子行动不那么自由。Roke也被这个结果惊了，她表示：“在此之前人们都以为超过100个水分子是不可能的，但我们的实验证明水分子对离子敏感的多！”

图1. 氢键有两种变化方式：拉伸或扭曲，而fs-ESHS只会捕捉氢键发生扭曲的信号。

水分子排队站好

水分子由一个显负电的氧原子和两个显正电的氢原子组成。水分子的形状看起来像米老鼠的脑袋，这样的骨架使其具有极性。当带电的离子进入水中，氢键网络就会“燥起来”。离子周围数百万的水分子会因此排列在一些特定的方向，就像做广播体操一样。这个现象可以看作离子把原本松散舒张的水分子网络“收紧”了。

从原子级到宏观尺度

水分子的行为可由三种方法检测：超快光学测量可以反映纳米尺度上分子的排列；计算机模拟则是原子水平上的观察；而测试水的表面结构和张力则是宏观尺度。Roke说在该研究中，他们将薄薄的金属片伸入水中，用张力计拉金属片，测量水的阻力。他们发现在溶解了电解质的水中更容易拉起金属片，说明离子减小了水的表面张力。这一奇怪的现象早在1941年就被观察到，但至今没有合理的解释。而通过多尺度的分析，他们将此现象与离子导致的氢键网络“硬化”联系起来：“硬化”的空间网络产生更柔软的表面。

测试不同的盐和水

研究者测试了21种不同的盐，它们都有相同的作用。然后他们又用重水（氢原子被同位素氘取代的水）重复了实验。这种液体通常和水很难区分（不过说不定蜜蜂可以闻出来http://www.x-mol.com/news/2081）。不过在本实验中，加入普通水中盐分的六倍量才能达到相同的效果。也从侧面说明水的独特性。

图2. 不同的盐对水分子有几乎相同的作用效果

跟“水的记忆”无关

Roke和她的团队已经意识到他们的成果可能会与某些关于水的富有争议的观点联系上。不过他们坚决与那些“玄学”划清界限。她表示：”我们的研究与水的记忆或顺势疗法（见文末小贴士）一点关系都没有，为此我们认真检查了所有数据。要想证明水在顺势疗法中的作用，必须证明其他远离离子的无数水分子也受到了某种影响，这听起来很荒谬。

这项关于水分子行为的最新成果对于基础研究或其他领域都很重要。生命过程中水分子与离子的作用无处不在，如酶、离子通道和蛋白质折叠等。关于水的每一点新发现对人类完成生命的拼图都很重要。

小贴士

什么是顺势疗法？

水对于溶解在其中的物质存在记忆的观点，是顺势疗法(homeopathy)的核心。在顺势疗法中，有效成分被无限稀释后的药水(简称为"记忆水”)仍有疗效。以前科学家对这种论点多持嘲笑态度。1988年，法国科学家贾科斯•宾文尼斯特(Jacques Benveniste)因为发表自己的这一发现而丢掉了自己的科研经费，实验室和在学术上的地位。但一直有科学家试图证明这一观点。水的记忆问题看起来是个有意思的“玄学”。

参考文献：

Y. Chen, H. I. Okur, N. Gomopoulos, C. Macias-Romero, P. S. Cremer, P. B. Petersen, G. Tocci, D. M. Wilkins, C. Liang, M. Ceriotti, S. Roke. Electrolytes induce long-range orientational order and free energy changes in the H-bond network of bulk water. Science Advances, 2016; 2 (4): e1501891 DOI: 10.1126/sciadv.1501891

编译自：

http://phys.org/news/2016-04-ion-impacts-million-molecules.html

（本文由 氘氘斋 供稿）

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