研究者重新發現水的結構

Researchers Rediscover the Structure of Water
http://www.physorg.com/news186417938.html

By Kelen Tuttle, February 26, 2010

(PhysOrg.com) -- Stanford Synchrotron Radiation Lightsource 的研究團隊發現水的分子結構比最近所認為的還要更加複雜，並指出，事實上過時數十年的分子模型也許比最近的還要更加精確。

"水的研究有非常久的歷史，" 第一作者 Ling Fu 表示，她是法國 Centre National de la Recherche Scientifique 的博士後，她並且就這些結果寫出她的博士論文。"其他研究者在他們的測量中完成非常棒的研究；我希望這項研究幫忙能促進這個領域的發展。"

藉由記錄自流動的噴射水散射的 SSRL X 光射束，Fu 及其同僚 Arthur Bienenstock 與 Sean Brennan 能夠測定水分子在噴流當中的距離。一如最近眾模型的預測，他們看見分子相距 0.28 與 0.45 奈米。這些測量證實了目前一般地公認模型，那將液態水描述成一群以四面體（tetrahedral，金字塔形）形狀鍵結的水分子，在四面體中央的分子離其他四個的距離較短，而這四個不在中間的分子，每一個彼此之間的距離會比較長。

然而，這些研究者看見某些分子出現第三種距離：0.34 奈米。這第三種分離長度首度在 1938 年被發現，然而那不包含在當前模型中。在 1960 與 1970 年代中的額外實驗首度證實，不過稍後遭駁回，不承認有此長度存在，同時下結論表示，它之所以被偵測到，完全是因為分析中的瑕疵。結果，那些包含這種中間距離的模型失去支持 -- 直到現在。

SSRL 研究者現在用當代技術觀察到這種中間分離長度，並指出 "這裡還有許多事正在發展中，" 超越了當前所公認的模型，Fu 表示。

這些結果指出，液態水的結構並非完整地四面體，而是有某些額外的複雜性。不過她們並沒有完全解決水的結構之謎，因為在 SSRL 所獲得的資料僅揭露水分子之間的距離，而沒有鍵結的角度。"要看見這幅複雜的圖像，得進行更多研究，" Brennan 說。

完全理解水的結構是件出人意料之外的困難任務。在水的固體形態（冰）中，分子已知會形成一種緊密的四面體晶格。當前模型認為，液態水應當類似冰，不過結構性比較少，因為熱會創造出混亂並破壞鍵結。接著，在液態水中，這種四面體結構應當會撒手，隨著溫度升高而分離，但儘可能地維持著四面體。這項新研究在此理論中增添一個扭結（kink），需要某種次要結構。液態水的密度愈大，被填塞的分子會比單單在冰當中所見到的簡單四面體更加緊密。這些資料幫助解釋那如何能發生。

Brennan 表示，接力棒（baton）現握在理論學家手中。"我認為這類型研究是一種接力賽：實驗家跑一陣子，直到他們不能解釋他們所瞧見的某件事，接著理論家跑一陣子，直到他們沒有更多資料就走不下去，然後棒子又回到實驗家手中，" 他說。"所以，這次我們可以說，是該理論家動動腳的時候了。"

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