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從一滴水照見宇宙洪荒，到一枚神經(jīng)元編織智慧星云，科學(xué)不再是公式的堆砌，而是萬物共舞的詩行，我們將這種難以言喻的美，用鏡頭一一呈現(xiàn)。

由中央廣播電視總臺(tái)社教節(jié)目中心出品，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)專業(yè)指導(dǎo)的五集科學(xué)紀(jì)錄片《科學(xué)之美》，正在CCTV-10科教頻道熱播。一起來看第一集《探索水的微觀世界》→

誰見過水分子的模樣

自然界里真的沒有兩片完全相同的雪花嗎

冰面光滑的背后究竟藏著怎樣的奧妙

冰雪融化的真相超乎我們的認(rèn)知

讓我們穿透視覺極限

見證一滴水背后的科學(xué)奇跡

沒有飄雪的冬季，就少了一分這個(gè)季節(jié)該有的魅力和氣韻。

人們常說，每一片雪花都是獨(dú)一無二的冬日精靈。雪花的個(gè)體極其微小，直徑一般在0.5到3毫米之間，5000朵雪花放在一起，重量也不超過1克。

利用改造后的顯微鏡，雪花逐漸呈現(xiàn)出清晰的模樣。

有人通過研究發(fā)現(xiàn)了近6000種彼此不同的雪花。人們認(rèn)為世界上沒有兩朵大小和形狀完全相同的雪花。人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，紛紛揚(yáng)揚(yáng)飄落的雪花盡管形態(tài)、細(xì)節(jié)方面各有差異，但大都是六角形的。

雪花為何具有瑰麗而奇妙的形態(tài)，這引起了許多科學(xué)家的興趣。盡管千差萬別，但雪花為什么都是六角形的？為什么是“6”而不是其他數(shù)字？

“科學(xué)家們?cè)缙诘难芯烤桶l(fā)現(xiàn)，雪花的形狀取決于水分子的結(jié)晶過程。水結(jié)晶以后，它的結(jié)構(gòu)是什么？自古以來，人類是非常感興趣的?？茖W(xué)家在這個(gè)方面做了很多探索?！敝袊茖W(xué)院物理研究所研究員白雪冬說。

來自冰雪的魅力，吸引著探索的目光，年輕的學(xué)子們正以另一種視角呈現(xiàn)雪花形成初期的過程。

以電制冷的方式降溫。低溫沉寂了世界，也讓水分子們放緩了腳步。

零下10攝氏度的玻璃表面，使得它們迅速完成了從氣態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)換。水分子仿佛被一種無形的力量牽引，它們開始有序地排列，構(gòu)建起一座座微小而精妙的冰晶宮殿。

低溫使得一顆水珠開始了自外而內(nèi)的結(jié)晶過程。它們最終以一種特定的結(jié)構(gòu)緊密相連，形成了堅(jiān)硬而透明的晶體。這是一場(chǎng)溫度、結(jié)構(gòu)與形態(tài)之間的奇妙對(duì)話。

在我國寒冷的北方，這樣的過程一次次地在玻璃窗上呈現(xiàn)。

中國科學(xué)院院士王恩哥回憶道，他幼年時(shí)便觀察到玻璃結(jié)冰時(shí)從小冰花開始，冰花自下而上凝結(jié)，慢慢就把玻璃凍得什么也看不見。人們認(rèn)為自然界的冰花大部分都是六角形的，有人預(yù)計(jì)可能有四方形的，但是從來沒有人看到過。

對(duì)于科學(xué)家而言，這番探索不僅僅是為了揭示一片雪花的誕生過程。

自然的力量創(chuàng)造了雪花的萬般變化，也深刻影響著我們的生活。

“比如說高壓線路的結(jié)冰，有可能會(huì)形成停電、斷電的現(xiàn)象，短路的現(xiàn)象。通過結(jié)構(gòu)的確認(rèn)，能否開發(fā)出有效的抗凍劑?！卑籽┒f，冰的不同結(jié)構(gòu)會(huì)影響冷凍的效果。在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如器官的保存、細(xì)胞的冷凍等等，這些效果和冰的結(jié)構(gòu)都密切相關(guān)。

在王恩哥院士的推動(dòng)下，白雪冬、王立芬科研團(tuán)隊(duì)的探索，在2023年取得了重要進(jìn)展。

液氮與電鏡的結(jié)合，創(chuàng)造出了一個(gè)特別的觀測(cè)條件。零下170攝氏度的襯底，氣相水瞬間凝結(jié)成冰晶。白雪冬回憶，最后，在實(shí)驗(yàn)室里，在電鏡下，觀察到了純相單晶的立方冰。

王恩哥院士認(rèn)為他們的工作第一次告訴大家，在雪花初期形成的過程中，立方形和六角形的雪花是同時(shí)存在的。

這是人類第一次看到雪花形成初期的本來面目，首先會(huì)形成無定形冰晶，大都會(huì)結(jié)晶形成純相的單晶立方體。隨后，逐步生長出六角冰。

這是人類關(guān)于雪花的研究歷程中邁出的重要一步，也讓我們窺探到了雪花所呈現(xiàn)的科學(xué)魅力。

學(xué)者們相信，這些發(fā)現(xiàn)將為解決那些結(jié)冰產(chǎn)生的“煩惱”帶來靈感。關(guān)于雪花謎題的探索過程中，科學(xué)家們已經(jīng)關(guān)注到了它的本真形態(tài)，那就是我們?cè)偈煜げ贿^的水。

但是，我們真的了解水嗎？

一滴水珠的下落和入水，也展現(xiàn)著不同力量彼此作用的奧妙，以及能量的微妙轉(zhuǎn)換。

一場(chǎng)水分子的沸騰之舞，完成了液態(tài)和氣態(tài)的轉(zhuǎn)變。

這些司空見慣現(xiàn)象的背后，依舊有許多未解之謎。

“水本身非常地復(fù)雜，重要的一點(diǎn)就是它有很多反常的地方?！蓖醵鞲缭菏空f，《科學(xué)》雜志成立125周年之際，曾經(jīng)提出本世紀(jì)125個(gè)最具挑戰(zhàn)的問題，其中一個(gè)問題就是“水的結(jié)構(gòu)是什么”。

每一滴水珠，每一個(gè)冰晶，每一片雪花，都像是宇宙間的一個(gè)小小謎題。

它是地球不可或缺的資源，影響著天地的萬千變化。但我們對(duì)它并不完全了解，甚至還未能看到它的本來面目。

“我們?nèi)梭w里面有非常多的水，對(duì)于成人來講有70%都是水，所以水無時(shí)無刻都在跟生物分子發(fā)生相互作用。”北京大學(xué)物理學(xué)院教授江穎表示。科學(xué)家們逐步意識(shí)到，要真正破解這些奇跡的奧秘，就要了解水分子的結(jié)構(gòu)，并掌握它們的諸多細(xì)節(jié)。這也成為了擺在人類面前的一道難題。

王恩哥院士說，水分子結(jié)構(gòu)很簡單，由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子構(gòu)成，形如一個(gè)“V”字。水分子我們?cè)缇椭?，但是在?shí)驗(yàn)上卻沒有人給出第一張照片。

數(shù)百年來，科學(xué)家們通過光譜分析、X射線衍射等方法來觀測(cè)和驗(yàn)證水分子的結(jié)構(gòu)。看清水分子的模樣，才能從真正意義上，開啟水世界的大門。

2010年1月，在時(shí)任北京大學(xué)物理學(xué)院院長的王恩哥的動(dòng)員下，年輕的學(xué)者江穎回國加入了北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心。年輕的學(xué)者們開始搭建一臺(tái)能夠看清楚微觀世界的“眼睛”。

這是一場(chǎng)對(duì)未知原子世界的艱難探索。由于原子的直徑遠(yuǎn)小于可見光的波長，這就使得再精密，放大倍數(shù)再高的光學(xué)相機(jī)，也難以看到原子的模樣。

“能夠看到氫，當(dāng)時(shí)對(duì)我們來講是一個(gè)非常大的難題?！苯f說，后來突然想到可以通過另外一種力來成像，比如靜電力。因?yàn)樗锏臍涫菐д姷?，如果能夠?qū)o電力成像，是不是就可以對(duì)水的氫成像。

2019年，江穎團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里首次觀測(cè)并拍攝到了世界上第一張亞分子級(jí)分辨率的水分子圖像。

“這個(gè)圖像剛出來的時(shí)候，剛好和黑洞出來的時(shí)間差不太多”，江穎回憶，自然界空間尺度相差大概10的20個(gè)次方的兩個(gè)物體，它們的圖像竟然非常類似。

這張奇妙的單個(gè)水分子圖像，為我們呈現(xiàn)了它們的狀態(tài)。水分子沉浸在電子云之間。水分子的氧原子部位，電子較多，顯得更亮一些，而氫原子的部位則相反，電子較少，因而顯得暗一些。亮暗之間水分子的身影逐步顯現(xiàn)。

從地球生命之源到瑰麗而奇異的宇宙黑洞，兩者的相似之處，或許預(yù)示著某種奇妙的關(guān)聯(lián)。

緊接著，江穎和同事們有了更奇妙的發(fā)現(xiàn)。在氯化鈉的表面，四個(gè)水分子借助彼此的作用力，以一定的方向性規(guī)整排列，形成了一個(gè)結(jié)構(gòu)清晰的水團(tuán)簇。原來，水分子們正是以這種溫暖的抱團(tuán)方式，匯聚為一滴水乃至奔流不息的河流。

看清楚水分子的模樣，不僅僅是對(duì)水的了解更加清晰，這更意味著人類關(guān)于原子世界的科學(xué)認(rèn)識(shí)獲得了突破。

20世紀(jì)初期，人類努力探索原子世界的奧秘。1927年，年輕的物理學(xué)家奧本海默博士和導(dǎo)師玻恩一同發(fā)展起來了“玻恩-奧本海默近似理論”。它成為科學(xué)界描述原子核與電子相互關(guān)系的經(jīng)典理論。正是在關(guān)于水分子的研究中，中國的科學(xué)家們逐步意識(shí)到了經(jīng)典理論的局限。

“現(xiàn)在看起來這個(gè)圖像在描寫由氫元素組成，也就是說由像水這樣的體系中，這個(gè)描述已經(jīng)不太合適了，甚至來講會(huì)帶來很多錯(cuò)誤。”王恩哥院士說，他們的工作恰巧是從這入手，超越“玻恩-奧本海默近似理論”，考慮到電子和原子核的量子化效應(yīng)，統(tǒng)稱叫“全量子效應(yīng)”。

基于這些發(fā)現(xiàn)，年輕的學(xué)者們完成了另一種創(chuàng)造，在食鹽表面用60個(gè)水分子拼成王恩哥名字的縮寫“E.G.W.”。這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了操作單個(gè)水分子并排列成穩(wěn)定的圖案，表明中國科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)技術(shù)達(dá)到了國際上最高的水準(zhǔn)。

關(guān)于雪花的探索不斷深入的同時(shí)，江穎團(tuán)隊(duì)的“微觀之眼”鎖定了另一個(gè)有趣的話題：冰面之上為什么這么滑？

早在19世紀(jì)，就有學(xué)者提出，即使在遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)的溫度下，冰的表面也會(huì)出現(xiàn)一層薄薄的液體層。這被稱為冰的預(yù)融化。正是這層水膜，使得我們流暢滑行。但是，這個(gè)說法遭到了不少學(xué)者的質(zhì)疑。

所謂的預(yù)融化真的會(huì)發(fā)生嗎？

一個(gè)冬天，江穎在北京大學(xué)未名湖散步時(shí)，發(fā)現(xiàn)湖面看起來有種漣漪，它的結(jié)構(gòu)到底是什么？

北京大學(xué)未名湖水的結(jié)晶和消融，同樣發(fā)生在遙遠(yuǎn)的南北兩極的冰川。在那里，廣袤的冰川和永凍層的消融，正在引發(fā)關(guān)于海平面上升和全球氣候變化的擔(dān)憂。它們的真相，或許將幫助我們發(fā)現(xiàn)兩極冰川融化背后的更多秘密。

江穎團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)冰表面在零下153攝氏度，其實(shí)就會(huì)發(fā)生預(yù)融化。預(yù)融化的起始點(diǎn)應(yīng)該把它定在非常精確的一個(gè)溫度。

中國科學(xué)家的研究徹底揭示了冰表面消融的奧秘。在零下153攝氏度，融化已經(jīng)從冰表面的超結(jié)構(gòu)開始。冰的表面逐漸變得無序，最終，表面近乎完全液態(tài)。這也就是所謂的預(yù)融化現(xiàn)象。這種遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)的預(yù)融化機(jī)制所創(chuàng)造的水層，正是產(chǎn)生滑動(dòng)的根本。