欧阳诗蕾

一

一滴水掉进一杯水，将发生什么？

从江河汇海、积雨成泉，到诗词中的“抽刀断水水更流”，水独特的物理性质在生活中极为常见。“液态水在室温下可以不断地变化、断键成键，从而形成各种动态的网络结构。”专注于凝聚态物理、物理化学领域研究的江颖表示，水算得上世界上最复杂的物质结构。

《科学》杂志创刊125周年的特刊中，将这个问题列入了125个最具挑战的科学难题——水的结构是什么？

“为什么水研究起来这么难？就是因为氢键相互作用。”在北京大学物理学院量子材料科学中心的办公室内，江颖在电子板画下水的分子式，一个氧原子和两个氢原子。“水的复杂在于氢原子的参与，水分子必须通过氢来参与到成键过程中，也即：氢键。”

早在19世纪末，科学家们就开始了对水的结构的研究。至今，谱学的研究方式占大多数，X射线衍射、光谱、中子散射、核磁共振……往往对应着宏观层面的探测。江颖介绍：“谱学研究的是成千上万个水分子的共同信号，得到的是平均效应。如果水分子的局域环境有细微的差别和变化，最后效果可能就被平均掉了。”

“迄今为止，还没有任何非常直观的手段能够把水的内部结构看清。”江颖重点关注原子尺度上的物性，他认为看清氢原子对研究水的结构尤为重要。“我常说水科学就是氢科学，如果想搞懂水，必须要把氢原子搞清楚，我们要清楚氢原子在水的内部的自由度，它是怎么运动的，指向在哪里？氢键形成的方向不同，水分子最终形成的网络结构是完全不一样的。