D.穿着他的常规工作服——牛仔裤和夏威夷衬衫——richard Saykally用四个字告诉了我一个我在淋浴时经常思考的问题的答案:为什么水是湿的?

“强大的四面体氢键，”他说。这个回答并没有给我带来我想要的即时启示，但是，水并不简单。萨卡利在加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的研究小组(他是该校的化学教授)用一系列听起来奇特的仪器来研究水，包括腔圈分光镜、太赫兹激光器和超音速光束。

他的目标是开发一个“通用水力领域”的电脑模型，可以在任何情况下预测水的行为，降至原子规模。我对这场野心留下了恰当的印象，但并没有特别吓倒：说出来，通过提供不止一次给我在他的口琴上扮演一个小熊来肯定这一点。

视频在屏幕顶部播放。

查看视频

采访成绩单

为什么水湿？

当我的女儿们还很小的时候，我们在那个问题上有过一次有趣的发现。我的两个女儿很小的时候，我给她们洗澡，我最小的女儿说，“爸爸?为什么水是湿的?”正确的答案是，强四面体氢键，多年后，他们和老师们都这么说每当提到水的时候，他们就会说，强四面体氢键但这是正确答案。这就是水变湿的原因。

水簇是什么样的？

水簇是两种或多种水分子的布置。所以他们采用各种结构。两种水分子并不具有大部分形状;三个水分子制成三元环;四是一个正面的环;五是五角大楼;当你达到六个水分子时，形态学从循环平面变为三维笼子;此后七，八，九等等看起来像三维笼子。水8-八折的聚类 - 看起来像一个扭曲的立方体，然后所有更大的簇都在那个立方形状上构建。这些是最稳定的形式，您将在非常接近温度的绝对零附近找到。

是另一种形式的液体水吗？

这是目前有关于水的最热烈争论的主题。它已被假定在很长一段时间内，在水中的深水区 - 也就是说，当水低于其冷冻点的水中时 - 可能存在两种不同类型的液体。普通液态水我们将调用低密度形式，提出了具有高密度的水形式，并且在超冷区域中这两种类型之间存在相位转变。而这场辩论已经提出了多次，但现在它正在争吵。实际上，我在这个部门的一位同事 - 一个非常着名的理论化学家 - 他的前学生在这方面是最前沿，而且尚未得到解决。

为什么水失去了冰的密度？

当水冻结到普通冰上，这是一种使得在我们的高球上漂浮的冰块的那种，这种情况发生在我们将在大气压下称为零摄氏度的东西。当水冻结成冰时，它会产生一个非常开放的结构。这种形式的冰包括六个成员环的阵列，这些环彼此叠加，以制作渠道，大部分冰都是空的空间。当你融化液体液体时，你会在冰中突破约10％的氢键，它变得更加无序和紧凑，因此更混乱的液体比冰更为密集。当冰冻冻结时，它使这个非常开放的网络，密度下降10％。但这对于我们称之为冰的熟悉的冰形式，这只是真实的1_H六角。实际上有16种冰晶形式。所有其他形式的水都比液态水密度大。16种形式中只有一种小于。

为什么有17种不同的冰？

只有我们称之为冰的熟悉的冰形式，比液体更少密集。所有其他形式都比液体更密集，它们在高压下形成。当你挤压冰的晶格1_H，你强迫它进入更紧凑的安排。就像我说的那样，冰1的晶体结构_H有很多空的空间，所以当你通过施加高压挤压它时，你将它迫使它进入更紧凑的结构;你填写更多空的空间。挤压越难，您可以形成越来越紧凑，致密的结构，直到您达到近距离填充的限制，这尚未达到近距离。因此，随着技术演变的应用更高，压力更高，您可以折叠冰至密集和密集的形式。所以我不认为我们还没有。有16个晶体形式并且随着技术的发展，我们可能能够产生另外六或八个。除了16种冰晶形式的冰外，还有无定形或玻璃状的冰，其定义无序，并且有一个全家人。它曾经被认为有两种类型的无定形冰，但现在我们意识到实际上有许多不同的密度。

水面如何与散装水不同？

在水面，有一种不同的氢键排列。在散装水中，每种水分子使大约四个氢键与四面体角度的其他水分子;不完美，如冰1的情况下_H。所以这是一种无序的四面体网络。但在水分分子终止体积时，必须较少的氢键。因此，表面上水分子的平均氢键数可能是两到半或类似的。因此，在水面上存在悬空的O-H（氧气 - 氢）键，这使得表面层的行为不同地不同于散装。所以你有最外层的液体密度，因为我们会称之为，定义表面，然后在从那个最外层的液体密度层移动到真正的批量时，你变得更加顺序。所以表面层具有较少的氢键;它更加手机，具有不同的粘合性质。

为什么有关于在水面所做的事情的激烈辩论？

这是几十年来涉及水的最具争议的科目之一，因为水面上的离子行为在生物学和其他科学领域对生物学和其他地区的行为产生了深远的影响;所以这是一个实际意义上的重要主题。通过我们将呼叫介电连续素理论宣布水中的离子在水中的行为已经透学，这是最近的大部分教科书，这表明，水面应该没有离子。但是，我们需要更具体;让我们用蛋白质的疏水结构域称呼它的空气接口或水界面。在这些情况下，由于这种介电连续性理论中出现的图像电荷排斥现象，这些界面应该没有离子。

但这种理论已经过时，多年来，实验已经积累了清楚地证明一些离子更喜欢在表面而不是在散装中。我的团队已经建立了许多不同的离子作为遵守的病例。这些离子更喜欢表面，我们在数量上验证了它们被吸引到表面的能量和力。因此，这违反了水面中离子的教科书描述。

为什么水蒸发速度如此难以衡量？

多年来，它一直很难测量因为它是表面现象，很容易受到污染问题的影响;也许最重要的是，水的蒸发是非常罕见的。如果你是一杯水中的一个水分子，或者是在一杯水的表面，你蒸发的概率非常低。水分子离开表面是非常罕见的现象，因此用计算机模拟这种现象非常困难。这些实验很有问题因为表面的污染是一个很大的问题。

And the other problem is that most of the experiments that have addressed that observe simultaneous evaporation and condensation because in those experiments, there’s a layer of water vapor and contact with the liquid water, and so you get condensation of the vapor to the liquid at the same time you’re having the liquid evaporate into the gas phase and it’s very difficult to separate those two processes. So what my group did, to try to separate those processes, is use liquid microjet technology where we would make a microjet of water, that was perhaps 10 microns in diameter, in a vacuum system and then we could arrange the conditions to look at evaporation without having any condensation obscure our results.

So those are our recent experiments and our results agree quite well with theoretical calculations that have been done by David Chandler’s group, where they were able to transcend this limitation on being able to simulate very rare events because of this beautiful rare event methodology that the Chandler group has developed called transition path sampling. In that methodology, they’re able to directly observe the details of how a water molecule evaporates even though it’s a very rare event and they show in their very recent paper that a water molecule evaporates from the surface when it collides with another liquid molecule in such a way [as to] to give it enough kinetic energy to escape the surface tension, let’s call it, of the surface, and it does so where the surface has a capillary wave, as we call it. There will be an anomalously large fluctuation in the surface topology. So it’s like a wave breaks away from the liquid and when that wave breaks away, it strains the hydrogen bonds in surface water molecule and weakens it enough that the molecule can escape.

您如何看待加州目前的干旱？

好吧，我认为这需要非常认真。我实际上在上个月里花了很多时间思考这个并教育自己的干旱情况以及如何实施旨在减轻它的一些技术。所以首先有很多错误信息漂浮着。我们听说这是加利福尼亚历史上最糟糕的干旱。我们必须有资格获得。自加利福尼亚政府已形成以来的书面历史中，这可能是真的。但在加利福尼亚的自然历史中，我们知道已经存在远远差不多。Let’s see, it was how many years ago … Centuries ago, there’s evidence from tree rings that have been recently studied by fossil experts that show that there have actually been 150-year droughts not all that far back in California’s natural history—let’s say 500 years or something like that ago. I forgot the exact dates. But there has been a record of far worse droughts than what we’re experiencing now. It is fully possible that this could turn into a 50-year drought or 100-year drought, which would be devastating, unless we have reliable sources of water that don’t rely on precipitation.

因此，脱盐似乎是加利福尼亚州沿海地区的最明智的行动方案，在那里我们附近有海洋。如果我们能够弄清楚如何廉价的海洋水，并以不加入大量二氧化碳的方式做到这一点，这将是加利福尼亚州长期福祉的一步。而且我实际上刚刚在圣地亚哥支出10天，西半球最大的脱盐项目正在圣地亚哥北部的Carlsbad完成。有10亿美元的脱盐工厂，计划在几个月内投入运作，并且我对这些脱盐厂的物理和化学物理和化学非常感兴趣。现在，脱盐化非常昂贵，非常有能量要求，并不是一种生产淡水的环保方法，除非我们可以使其更加高效，更少污染。

我的一些同事，我在圣地亚哥的时间里汇总了一个简短的建议，标题为“绿色，有效的脱落”。人们正在考虑现在的技术正在使用我们称之为碳纳米管作为过滤盐水的方法。It’s possible that that can be done with much less energy input because the resistance to pushing water through these tubes may be much lower than with current technology, but this must be established through fundamental laboratory science that I’m proposing to do and other people are proposing to do. We need to study the behavior of ions at the interface of water, our previous subject, with these carbon membranes, and it’s possible that the nature of that interface is such that with proper geometry, water can flow through tubes of pure carbon with very low resistance so that you could use much lower pressures to force the seawater through the desalinating membranes. That’s a very exciting prospect. And then that would greatly mitigate the energy consumption.

And then there are ways to think about how to sequester the carbon dioxide produced by, let’s say, combusting natural gas as a means of producing electricity, to sequester the carbon dioxide produced in that combustion in deep aquifers of very salty water that’s the product of desalinization. You get very concentrated salt brines that cause a problem in disposal. So if one could actually use those brines to store the carbon dioxide that would be a big advance too. People are thinking about all those directions; and at the same time, hoping California isn’t embarking on 100-year drought!

什么是水二聚体，为什么它对理解我们的大气很重要?

水二聚体是两种水分子的簇，其中一个水分子向另一个水氢键赋予氢键。它在理论上非常重要，因为它是氢键的原型。在实际意义上，关于该水二聚体在大气中的潜在作用存在大量讨论。大气中存在一些重要的反应 - 例如，如果在大气中存在的实际水二聚体，则酸雨的形成 - 这会更快。例如，三氧化硫的反应如此_3.用水分子制备硫酸，随后酸雨，需要三种气态分子的碰撞。但如果相反，那么_3.分子会与水二聚体发生碰撞，这将大大加快反应和酸雨的形成。

而且，从阳光吸收的角度来看，水二聚体在电磁光谱的不同部分中吸收而不是水单体，单个水分子，并且可能在全球变暖中发挥重要作用。所以对确定有很多兴趣：在大气中有明显的水分浓度，如果是这样，它们最可能位于哪里？答案似乎是如果相对湿度高并且在赤道区域中发生的情况，则可以有效地形成水二聚体。因此，似乎从赤道围绕赤道升起的湿空气升起，水二聚体可以相当有效地形成在大气中，并且当时它们是否可以运送到大气的其他区域是当前问题。

水对于地球上的生命来说是必不可少的，这只是一个巧合吗?

不，它是水的内在的内在的东西，因为水使水成为一种非常灵活的化学过程的环境。它具有溶解许多离子的正确性质;它具有正确的性质，导致我们称之为疏水材料以特殊方式折叠;并且很难设计一种通用的液体，可以采用液体中的许多不同的配置等。这真的很特别。

水有什么用氢键教导我们？

几十年来，氢键本身的性质已经大力讨论。最初认为氢键是我们称之为水分分子的偶极力矩的表现形式 - 当那些两种偶极子以有吸引力的方式相互作用时，氢键发生了正端和负端。But as sophistication of both experiment and theory evolved, it led to a more complex description based on quantum theory where we know now that indeed the major source of the attraction between two water molecules that comprises its hydrogen bond is this dipole-dipole interaction as it’s called, but there are others. There’s also something called induction where this dipole of one water molecule distorts the electron cloud of the other one and that adds some attraction to it. There’s also something called dispersion, which is a strictly quantum mechanical effect where the electron clouds of the two molecules interact in an attractive fashion. And then the fourth component is repulsion—that as you bring any two objects, any two molecules or atoms, close enough together, their electron clouds start to overlap and it becomes very repulsive, and that limits how close you can bring two water molecules together. So now we understand that the hydrogen bond is really a sum of those four different interactions that we call electrostatics, induction, dispersion, and repulsion.

为什么你发明了一个新的激光研究水？

通过氢键的拉伸运动或氢键的弯曲运动，在光谱的远红外区域的弯曲运动中，两个水分子将相对于彼此振动，或者在太赫兹地区的远红外区域发生。它是光谱的相同区域。因此，氢键最直接的探针是实际上看看该氢键本身的拉伸和弯曲振动，并且发生在光谱的远红外或太赫兹区域中。因此，我们开发了基于远红外激光器的技术，以便能够衡量水分分子中的动作，这是导致我们对水群的许多研究的原因。

什么是“通用水力领域？”

这就是我告诉你是我们在学习水群中的研究的最终对象，从理论上与我们的实验和量子化学;[它是]生产完美的水模型。我们希望将所有信息与我们的太赫兹激光光谱，量子化学计算和冷凝阶段测量结合起来的所有信息 - 我们希望将所有信息放在一起，并制作计算机模型，将回答任何问题你问。如果您有完美的水模型，计算机计算可以通过计算机计算回答任何原则上的问题。完美的水模型是我们一直呼吁普遍的第一个原则的水模型。

你可以用普遍的水模型制作什么预测？

如果我们有完美的水模型我们有大量的计算机时间，我们可以做模拟来测试这个想法，"是否有两种液态水通过一级相变连接"这类事情是可以做到的。例如，我们可以用计算机计算水的表面并精确地确定表面的样子以及当我们将水的表面与蛋白质的疏水结构域接触时，表面是如何变化的。任何关于水的问题，只要在原则上是可以回答的，都可以用完美的水模型，通过计算机计算来解决。

我们现在不能这样做的原因是因为就像我说的那样，有100个或更多型号的水模型用于水 - 他们都做得很好。他们没有一切努力，特别是这些模型是为室温水或狭窄的温度范围开发的，因此当您在室温下开发的这些电脑型号时，您将它们应用于超级电池区域，以便在研究中申请，“超级冷却地区有两种液体，”这一思想的第一件事是[那]这种水模型不能在非常低的温度范围内提供可靠的结果。它不是用这一思想制作的。因此，如果我们有一个普遍的第一个原则模型，它将在所有温度下工作，所有压力等。

关于伪科学猜测成熟的水是什么？

因为我们生活在一个水星球上，水是每个人日常生活的重要组成部分，从很早的时候人们就认识到水是必不可少的，它有这些不寻常的特性。所以如果你回到希腊，希腊人对化学的描述是有四种元素:土，空气，火和水，对吧?事实上，有几种相互矛盾的哲学。直到最近在科学领域，我们才真正对我们声称正确的东西进行了仔细的测量。现代科学的基础是，你从你的理论或化学和物理定律中做出预测，然后用实验来验证它。但事实并非如此，所以所有的伪科学都是基于水是如此重要的元素这一早期理念而发展起来的。顺势疗法就是从这种想法中发展出来的。

即使在现代背景下，也是一个有趣的辩论，也有什么独特的所谓结构水吗？有些公司销售瓶装，结构的水，并致力于制造结构化水以某种方式更有效地穿透你的细胞壁，并具有各种健康益处和所有这些。根本没有科学基础。你不能制作结构性水。没有意义，因为水中的氢键在几个皮秒 - 10^-12秒和这些水的氢键结构正在重新排列，因此尽管有很多这些索赔，但是尽管有很多这些权利，但您没有在水中存在的水簇。但你仍然可以去商店找到，找到应该拥有这些神奇结构性等的瓶装水。

谁激发了你？

好吧，我自己的个人英雄在科学中一直是查尔斯镇。Charles Townes最近去世了，在这里是一个非常着名的物理学家。伯克利。查尔斯镇是1950年获得诺贝尔奖的激光器的共同发明人......我忘记了日期，但他得到了诺贝尔发明激光奖。He discovered the first molecules in space and most recently, in collaboration with his post-doc Reinhard Genzel established the first characterization of a black hole—a detailed characterization of the black hole that exists in the center of our galaxy—he’s just a fantastic scientist. And one of the most exciting things for me to come to Berkeley, which I did in 1979, was to be able to interact with Charles Townes, who had been a hero of mine since I went to graduate school. One of the first things that happened to me when I joined the research group of (Robert) Claude Woods at the University of Wisconsin in graduate school is [that] he handed me the book from Charles Townes called,微波光谱学他说，“读了这一点，这是圣经。”所以查尔斯镇一直是我的伟大英雄，我想我在英雄中有很好的选择。

如果你不是科学家，你会是什么？

如果我不是科学家？好吧，这个故事是，我在威斯康星州的北部长大在一个像100人一样的镇;如果你在威斯康星州长大，你必须是绿湾包装商足球队的伟大粉丝。所以在我早期的日子里，我渴望成为一个绿色的湾包装机足球运动员，我在66号雷尼奇克之间被撕裂，谁是中间线卫生，被认为是足球中最艰难的线路;或者是31，吉姆泰勒，绿湾包装厂的着名后卫。我想成为一个绿湾包装店，但悲伤的消息是，上帝没有很好地合作。正如我在我高中的时代，我想成为一颗摇滚明星，并在我的一生中扮演摇滚乐队。So if I weren’t a scientist, hmmm … Oh, the other thing that happened when I was an undergrad, I, through luck of the draw, became a chemistry major and really liked introductory, or freshman chemistry, but then came organic chemistry and after a year and a half of organic chemistry, I became an English major. But I worked my way back to chemistry. So you know maybe … I love to write. I write a little poetry and I write stories and stuff just for fun. I might be a writer. Or maybe a rock star. But I can’t sing.

Brian Gallagher是助理研究编辑鹦鹉螺。