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國際杰出科研小組對水分子的研究和理解
添加時間:2022-05-14 20:33
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弗蘭克(Frank)和溫(Wen)在1957年建立的“閃變團簇”模型(Flickering Cluster)是描述水分子之間相互作用的一個經典模型。在這個模型中,水分子不斷結成團簇。這種正反饋作用使得水團簇生長到臨界體積,隨后又自發地散開了。所有一切發生在10-11 ~?10-10秒之內,因此被稱之為“閃變團簇”。雖說這個模型有些過時,但是它仍然出現在很多教科書中。
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來自于英國倫敦南岸大學(London South Bank University)的馬丁.卓別林(Martin Chaplin)曾經提出過一個結構性稍強的模型。卓別林認為,液態水是由兩種相互混合的納米團簇所組成。一種納米團簇像一個有點兒癟了的皮球,而另外一種更像是結構整齊實心球。水分子不斷在這兩種狀態之間搖擺。但是當給定初始條件以后,處于兩種狀態的平均水分子數是固定的。有對這個模型感興趣的人可以在卓別林著名的網站上找到關于這個模型的更多細節,以及其他很多和水有關的信息。
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斯坦福大學(Standford University)的安德斯.尼爾森(Anders Nilsson)和斯德哥爾摩大學(Stockholm University)的拉爾斯.佩特森(Lars Petterson)的工作則展示了完全不同的圖景。他們的模型也推斷兩種不同的水會同時存在,一種是水分子以冰一樣的結構組成團簇或者鏈條,這種“水團”可以包含100個水分子之多;另外一種是在這種“水團”之間無序的水。這兩位科學家設想了一個無序的海洋,由無數的環狀和鏈狀氫氧原子所構成。
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米蘭大學(Milian University)的埃米利奧.德爾.朱迪切(Emilio del Giudice)所提出的模型中則包含更大尺度的團簇。基于量子場論,朱迪切設想了一種亞微米尺度的相干區域(Coherence Domains),每個區域都包含有幾百萬個水分子。朱迪切認為這些區域中的水分子之間的鍵如同天線一樣,可以接受外界的電磁能量。有了這些能量,水分子可以釋放電子,使得它們可以進行化學反應。
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來自于波士頓大學(Boston University)的基音.斯坦利(Gene Stanley)所提出的一個流行的模型是建立在上述所有模型的共同點之上的。斯坦利認為水有兩個截然不同的態 - 低密度態和高密度態。這兩種態之間的區別在超冷水之中展現得最為明顯。低密度水有著開放的四面體結構,而高密度水的結構則更為緊湊。水會在這兩種態之間進行不斷的動態轉換。
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另一個雙態模型強調,水分子可以以鏡像的方式存在。這就是說,一部分水分子是左手性的,另外一部分是右手性的。這種模型的主要支持者包括來自于俄羅斯的謝爾蓋.博興(Sergey Pershin)、梅爾.辛斯基(Meir Shinitzky)和來自于以色列的耀西.斯科尼克(Yosi Scolnik)。他們主張這兩種水的相對比例的不同可以解釋水的諸多特性。
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材料科學的先鋒拉斯特姆.羅伊(Rustum Roy)提出了結構最為復雜的模型。他的模型主要強調了水結構的異質性,以及不同結構水團簇之間易于相互轉換。水團簇之間的轉換幾乎不需要能量。