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雪花?冰花?纳米花

已有 4809 次阅读 2008-3-31 20:57 |个人分类:纳米科技|关键词:学者

雪花•冰花•纳米花
中国科学院院士·北京大学信息学院电子学系教授吴全德

进入21世纪，竞争愈来愈剧烈；要屹立于世界民族之林，就得要有创新。笔者曾写了一篇《右脑亟待点燃的智慧火把》的文章，登在《中国科技月报》2000.12。此后，稍作收改，以《求真寻美?开发右脑?创新知识》为题收入《科学与艺术的交融》一书。要为社会服务和创新，还得要有健康的身体。本文从水的结构谈到小康人的喝水和养生。但愿人人都有健康的身体，为社会多做贡献。

北方冬天，天气一冷，会出现千里冰封、万里雪飘、银装素裹、一片洁净的世界。诗人为之豪情大发，穷人为之发愁。本文只想从美学和科学角度谈论它们的结构美、喝水与保健等问题。

《红楼梦》中贾宝玉曾说过：“女人是水做的。”其实男人也是水做的，因为中年男人或女人，身体中约70%是水。小孩的水含量更高，老年人低些。人类需要喝水，需要用水把身体内的废物运出体外，水是人类吐故纳新的基本物质。没有水，生命也就完结。喝什么水才能养生，成为人人关心的大问题。《红楼梦》第四十一回，栊翠庵茶品梅花雪，妙玉请黛玉喝茶，宝玉跟去，引出一段关于釆水、藏水的论述。妙玉的水，亲自釆自梅花上的雪，用一鬼脸青瓮装好，依黄酒“女儿红”藏酒的方法，在地下埋了五年，才取出煮开泡茶。她釆用的水，工艺复杂，但不是好的饮用养生水。其说明见下文。

雪花、冰花和纳米花有一个共同的特点，即在生长初期均为纳米粒（1-100纳米），也称胶粒。胶粒物质由高浓度向低浓度扩散而后沉积，重复此过程使胶粒生长。含胶粒的物质称为胶体。常见的物质分气、液、固三态。例如大气是由氮、氧、二氧化碳、水汽等组成的透明气体。如含水汽较多的大气，遇到冷空气，会出现液态小水滴；更冷时，会出现固态的小雪花。通常称之为气溶胶体。小雪花长大后落向地面。北方冬天，水结成冰。初生的小冰花会长大，但浮向水面，最后形成冰封世界。水中含固体小冰花的体系称为液溶胶体。同样，炼钢过程中液态钢冷却时出现某种成份的小粒子，人们称之为固溶胶体。在纳米薄膜中也易生成纳米粒，出现美丽的形像。这在《三种海马的形像美》（《科学中国人》2004.10）已谈过。

一、 纳米粒的形成和生长

我国的祖先早已懂得利用胶体，例如用海水晒盐，用井水煮盐；又如用墨制作碳粒胶体，用来写毛笔字（书法），等等。西方在19世纪己有人研究胶体，20世纪建立胶体化学学科。搞气象预报的人早已有人研究气溶胶体。笔者在上世纪50年代末开始研究银氧铯光电阴极发射机理时，就已提出银胶粒模型；接着详细推导和讨论了离子晶体中，固溶胶粒的形成条件和生长规律（见《物理学报》，22（1）1966；《吴全德文集》[2]，3-40页，1999）。作者指出对共价晶体也可以得出类似的公式。只要将系统的参量稍作改变，这些公式就可用于气溶胶体和液溶胶体的讨论。当均匀物质中某成份的浓度超过临界值时，就可能有另一相的纳米粒子出现。此临界值与体系的浓度、温度和压力有关。此系统存在理论粒子临界尺寸。当该成份的浓度较高时，其分子由碰撞而聚集在一起的机率较大。如果此聚集的粒子比临界尺寸小时，它可能分散而缩小。反之，如果比临界尺寸大时，它将继续长大，而且不断长大。临界尺寸是粒子长大或缩小的分界，也是系统出现相变的判据。
出现相变后，粒子的生长靠分子扩散；扩散总是由高浓度处向低浓度处进行。系统中的粒子有一定大小分布，小粒子周围的浓度高，总是向大粒子周围扩散，并沉积在大粒子上。由于沉积地点和键合角的关系，会生长成各种形状。这样，小粒子就不断缩小，甚至消失；而大粒子不断长大。

二、 水和冰的结构
    水和冰的微观结构十分美丽，我们称之为雪花和冰花。要理解它们的结构，先从氢键谈起。
    1、氢键
    水分子是由一个氧原子和二个氢原子组成，写成H2O。水有气、液、固三态。气态时，单个水分子的结构已经测定：O-H的键长为0.0957纳米；H-O-H两键间的夹角为104.52o。成键时，氢的价电子与氧的价电子形成共价键，因此使带正电荷的氢原子核失去价电子的屏蔽而呈正电性，而氧原子因吸引氢的价电子而呈负电性。由于静电作用，一个水分子中的氧原子可能吸引另一个水分子的氢原子，形成O-H…O键，即所谓氢键。其特点是通过氢原子将两个水分子中的氧原子键合在一起，一边是氢氧之间的共价键，另一边是氢氧之间的静电键合。氢键的键长为0.280纳米。这种由静电结合的键合能比共价键能低，容易拆开，属于弱键，将氢原子换成氮原子、氟原子，或碳原子，都可以形成氢键。这种氢键的概念在生物化学中非常重要。例如，在DNA双螺旋（见《科学中国人》2003.4《天道崇美人性好美》图12a、b）中的A-T之间存在两条氢键，而G-C之间存在三条氢键。所以，在A、T与G、C。

2、冰的结构和特性
科学家已发现冰有11种结构，最近中科院物理所又发现一种新的结构。在常压下和0oC下，最常见的冰具有金刚石结构，即将金刚石中的碳原子换成氧原子，碳的共价键换成氢键。此立方晶胞象魔方玩具，由六个正方形面组成。每个面的中心和四个顶角都有一个氧原子。如魔方，它可切成大小相等的八个小立方体块。上层四块中非并排的两小块中心各有一个氧原子，另两小块中心没有氧原子。下层四小块中，针对上层空着的两小块中心各有一个氧原子。所有氧原子都有四个氢键，其中两个以共价键连接，另两个以静电力相接。四个氢键中任两个的夹角均为107.47o。如将此晶胞沿三个正交坐标轴作左右、前后、上下平移重复排列，即构成冰块。冰块中所有氧原子都有氢键连接，构成有一半小块中心空着的网络。因此，冰的密度比水低，冰永远浮于水面。
用红线将三顶角（氧原子）连成正三角形，其连线中间位置上各有一个氧原子。在晶体中，此三角形必将扩展为六重对称的氧原子排列，这是氧原子面密度最大的平面。在外来水分子沉积时，此面接受外来水分子的几率最大。因此，常见的雪、霜、冰花等都呈六重对称结构。由于沉积时水分子沉积位置和键角的分布，会形成复杂而美丽的基本上呈现六重对称的雪花和冰花。此外，氢键的强度远低于碳的共价键，因此冰的硬度远低于金刚石的硬度。

三、雪花

中华文人对宏观雪景甚感兴趣，结合自己的人生感受，创作许多感人肺腑的诗词作品。其中，毛泽东的《沁园春?雪》，独领风骚，甚有气势。但未闻有人用显微镜来欣赏它的结构美。然而，国外的科学家中就有人拍下雪花的照片和纪录片。这里引用《对称》（H?外尔著，冯承天陆继宗译）中的一张揷图，如图2所示。此图有12朵雪花，每朵雪花均有六瓣，六瓣结构基本相同，均呈六重对称，甚具美感。如仔细观察它们的中心部分，可以发现各有特色。

雪花和小水滴都是从过饱和的大气中析出的纳米粒，而后长大。它们的差别是：当扩散而后沉积到纳米粒的水分子能够移动时，由于表面张力使粒子成球形，即是小水滴。当环境温度更低时，沉积到粒子的水分子不能移动，由于沉积地点和氢键的空间结构而生成六瓣雪花，形成各种对称图案。令人不得不惊叹造化的美妙。有人说“天上掉下的雪花，没有两片是完全相同的”。但无人加以确证。

四、冰花

放眼当今世界，科技发展日新月异，但也出现环境污染、泡沫经济、种族歧视、国际纷争。到底是谁把这个世界搞得如此复杂。答案难以寻觅。日本人江本胜花了十年时间，写了一本《水知道答案》[3]（有猿渡静子译的中文本）。他认为：人的身体70%是由水构成的。“想要健康而幸福地度过一生，只要让占人体70%的水干净就可以实现了。”水是生命之源。“因此，了解水，就等于了解了宇宙、大自然，乃至生命全部。”

他从“雪之结晶，没有两片是相同的”得到启发，决定做水结冰的实验。他带着助手在 -5oC室内用高速攝影机对水样进行观察和拍摄冰的结晶；花了十年时间，选了122幅风姿各异的照片，写成此书。此书已引起人们注意，并成为多种译本的畅销书。江本胜曾应邀在欧美等地讲学。

前面已经谈到，水分子在0oC以下、在大气中会结成雪花，在水中结成冰花。它们的物理过程基本相同。因此，冰花也是没有两朵是相同的，即不可重复的。在江的书中，他把水分成：“美丽的结晶”、“六角形的结晶”、“不规则的结晶”及“无法形成结晶”四等级，从而迅速了解各种水样的情况。例如他的实验证明：好的活水能结出美丽的结晶。活水包括冰河水、涌泉、深山流水、无污染的流水等，它们都经过沙土层或地表层的过滤，含有丰富的矿物质。笔者认为矿物质易聚成亚纳米粒，形成水结晶的核心。各地水中所含矿物质的内容不同，会影响水结晶冰花的形状。江的书中有各地矿泉水样的照片，现引用其中一例，请读者欣赏。图3是日本的山黎县北部三分之一泉泉水的冰花，呈现大自然浑然天成的自然美。在他的书中也有被污染水的水样的照片，它们都无法形成结晶，只是一些杂乱无章的粒子。他的书中还说，水能听懂音乐，听懂不同的语言，看懂各种文字，欣赏风光照片，有选择地结出或不结出冰花。那么，水分子怎能理解各种人类的语言、文字、音乐、和图画呢？该书作者用“波动”来解释他们的成果。但笔者认为其机制仍不清楚，有待后人进一步研究。

    虽然笔者对水分子能听懂语言和音乐、看懂文字和图片表示质疑，但对他们花了近十年的时间所拍摄的显示自然美的各种风姿照片，颇为欣赏。为了使读者欣赏冰花美，这里引用该书中的两页图片。图4示出从药店买的精制水水样，在其周围放上音箱，水样在聆听贝多芬《命运交响曲》和《田园交响曲》时结成的冰花照片。图5是在装水样的玻璃壁上朝里贴上 [智慧（中文）]、[wisdom（英文）] 和 [weisheit（德文）] 字样时，水样看懂并表达的冰花照片。书中还有其他晶莹剔透、宝石般美丽的照片。笔者希望有人在此基础上继续探索。
五、关于饮用水和奍生
     水是很好的溶剂，人要吐故纳新都得靠水。要健康而幸福地度过一生，就要保证人体70%的水不受污染。因此，喝什么样的水成为人生的重要问题。
１、饮用水的分类
     饮用水分为：有益水、中性水、和污染水三类。污染水亦称有害水不能喝。中性水包括蒸馏水、去离子水等，对人维持生命起作用，但缺乏对人有益的微量元素。红楼梦中“茶品梅花雪”，妙玉将梅花上的雪收集起来作为品茶用水，虽然费事，但不科学。天上下的雨雪，大部分来自海详吸收太阳能而蒸发的水蒸汽，随风吹往各地，遇冷而成雨雪。它们不含人体所需的微量元素。深山中从地层流出的泉水或地下涌出的泉水，含微量矿物质，能结成完整的冰花，属于有益水。
２、关于自来水
     现代城市人基本上喝自来水。江本胜对世界各城市的自来水水样进行了一些观察，并在书中介绍伦敦、巴黎、东京、罗马、威尼斯、悉尼、曼谷、香港等地自来水的结晶照片，都属于“无法形成结晶”类；泊尔尼、纽约、温哥华、澳门等的自来水水样属于“六角形的结晶”类；只有华盛顿自来水水样属于“美丽的结晶”类。该书中没有中国大陆城市的自来水水样的照片。他的书165页中有这样一段话：“从日本明明知道用氯处理的方法是对人有害的，却偏偏一意孤行的做法就不难看出，一些御用学者们在怎样地姑息着这个社会的逐步沉沦。”
３、水分子团簇结构和特性
水是生命之本、健康之本，有关水的研究是造福人类的大事情。近来对水的研究和认识有较大的进展。现在已经知道，水由各种大、中、小分子团簇和所含的无机离子物质组成。
(1) 水的团簇结构
     当冰融化成水后，仍会保留85%的氢键没有断开，形成有结构的笼形分子团簇或链状分子团簇。每个顶角的氧原子还可能与水分子形成氢键。事实上，这种笼状结构不是稳定的，其中水的氢键有可能断开，使此水分子离开，也可能由另外的水分子补上。这种完整的笼状结构大约可以保持十几秒钟。
在冰融化的水中会存在更大的由30-40个水分子组成的大团簇，也存在10个左右水分子组成的中等水分子团簇，和由5-7个水分子组成的小分子团簇。笼状团簇由平面五边形和六边形组成。如果这五边形或六边形与笼状结构断开，即成由五个或六个水分子组成的小闭环团簇。但更易出现的是氧原子不在同一平面的闭环。图中白圈是氧原子，两个氧原子之间的连线表示氢键，黑点是氢原子。这些是闭环小分子团簇。如果闭环中有一个氢键断开，便出现了小分子链状团簇；也可以由几个链状小团簇连接成更长的团簇。链状团簇也是不稳定的，有时断开，有时又接上别的团簇。这些团簇存在时间的长短和分布情况，又与温度有关。温度高时，氢键断开的几率大些。在一定的温度下，它们有一定的统计分布。

（2）水和水分子的特性

     水和水分子有许多奇异的特性可以利用。①水是极性分子，有原子级的正负电荷分离。在微波场的作用下，水分子随外场作用而运动，从而产生加热，这是家用微波炉的工作原理；②水容易溶解各种无机物质和有和物质，容易受到污染，特别是农药污染；③在常温、常压下，水在0oC结冰，但在毛细管中或在生物体内，可能在-110oC時才结冰；④水的大、中、小分子团簇组成可以用外加的静电场、磁场电磁波、声波、红外线等加以改造。
4、关于小分子水
      水是生命之本，健康之本，有关水的研究是造福人类的大事。近来对水的研究和认识有较大进展。前面谈到水是由大、中、小分子团簇和所含的无机物质等组成。人们已经发现，水分子团簇越小，活性越大，在人体内穿过细胞壁的能力越强，这种水喝起来也越好喝；而分子团簇越大，活性越小，也不好喝。
现在国内外都有多功能小分子水制水机出售。通常用电解方式，在正电极区提取出负离子小分子水，而在负电极区提取正离子小分子水。1、正离子水偏酸性，有收敛性和漂白作用，可以用于美容、美发。它也有短暂的杀细菌作用，并且是无害的。2、负离子水偏碱性，口味甘甜，是优秀的饮用水，有一定的治疗和保健作用。这种由5-7个水分子团簇组成的水，轻而易举地出入人体细胞，使身体内呈弱碱性，使新陈代谢的能力加强，故有人称之为“生命之水”。
《科学中国人》2004年第6、7、10期上刊登有陆江的文章，题目依次为：《喝小分子水祛除冠心病》、《喝小分子水消除糖尿病》和《战胜高血压、高血脂不再难》。他在第二篇文章中说：“饮用优良的小分子水，降脂降压效果好，对治疗动脉粥样硬化、髙血脂、高血压症有良好的医疗保健作用，并可降低血黏度、血尿酸和血糖，已通过医院临床观察而证实，并得到医学专家的肯定。” 具体情况，请读者在网上查阅。
    在日本小分子水的饮用者已较多。在日本的市场上，瓶装离子水、与纯净水、矿泉水之间的比价为10:4:6。但离子水的保存期为二天左右，推广起来有一定的难度。如釆用多功能制水机，随时可以制取，但购买机器的一次投资稍高。
5、小康人要喝碱性小分子水
    2004年是邓小平同志诞辰100周年。笔者参加首都科技界的隆重纪念活动，并写了如下的题词：
    改革开放，开辟富民强国路
    发展经济，再写中华文明史
     由于邓小平同志的“改革开放，发展经济”政策，我国人民即将进入全面小康的社会。人们的饮食结构有很大的改善，但也带来问题，即所谓“富贵病”和污染食品对人的损害。人们习惯于歺饮酸性食物（米、面、肉、蛋、糖、烟、酒等），使体内产生大量的酸性物质，体质出现酸化，影响新陈代谢的正常进行，降低了免疫功能。而我们日常生活中，碱性食品仅有蔬菜、豆腐、海菜、水果等，即使吃些碱性食品，也难以改变体内的酸性。如大量饮用碱性小分子水，可以促进体内水的新陈代谢，和其他有用物质的新陈代谢，使体内呈弱碱性，促进身体健康。既然喝小分子水有众多好处，我国卫生保健部门就应重视制水机性能的改进，加强小分子水的治疗保健作用效果的认真研究，而后大力推广，开拓小分子水的产业市场，以造福广大人民。
6、对改进北京市自来水水质的建议
     2008年的奥运会在北京举行，大家都在准备迎接工作。北京市为此要大兴建设，解决交通、缺水、和防止污染等工程，而且纳入规划，但未见有改进北京自来水水质的报导。北京的自来水含矿物质多，煮开后会沉积水垢。而欧美大城市的自来水均可直接饮用。北京市作何打算？因此，笔者建议北京市自来水厂和主管领导开展水质课题的研究，在2008年以前使水质有所改善。笔者衷心希望有朝一日，北京的自来水能结出美丽的冰花，与华盛顿自来水媲美的冰花。
六、纳米花
     如将水溶液换成其他化学溶液，或其他气溶胶体系或固溶胶体系，也可能会析出美丽的纳米花；不同的体系材料会结出不同的纳米花，而且往往比冰花更复杂。体系中纳米粒的形成和生长原理已在本文开头有简单介绍。
      笔者和同事及研究生在研究超高密度信息存储薄膜材料研究时，发现和拍摄到一些美丽的纳米花、海马、鱼虾、龙凤等形像照片，并在《科学与艺术的交融》书中用文字和彩色图片加以介绍，这里不再重复。
北京大学化学院李彦教授和博士后李雪梅等在参加国家973课题任务，釆用溶液制作纳米粒材料时，发现并拍摄了不少美丽图片。这些纳米花不受六重对称的限制，可以生成千变万化、风姿多彩的图像。她们把这些图片编成《纳米花园图集》，并拟对纳米花的图形进行计算机模拟，工作还在进行；因此，她们的论文推迟发表。我对她们的纳米花很感兴趣，征得她们的同意，这里刊登三幅照片，请读者从艺术角度来欣赏。所选的图8、9、10三张都是由CdS材料构成的纳米花。图8是一张特写，它有常见的重瓣花型特征，但又与常见的花型不同；它的生长不要种子、土壤、阳光、雨露，但仍长得鲜艳动人。请注意其左下角的参考尺寸长度为200纳米，它是真正的纳米花。图9是一张CdS纳米花丛，生气勃勃，欣欣向荣。图10是一张寒光四射的纳米花，为什么其中心一朵纳米花有民间所说的双层“佛光”？它是怎么形成的呢？纳米世界真奇妙！
    随着我国经济的快速发展，纳米科技也得到发展，近一、二年我国发表的纳米科技论文数已居世界第二位。笔者相信，随着发展必将出现新的纳米花园和奇花异草，希望对纳米花有兴趣的各方人士能到纳米花园驻足欣赏。
七、结束语
    天道崇美，雪花、冰花、纳米花都是美的。地球上没有两片雪花和两朵冰花是相同的。但由于天然和人工的原因，世界各地的水样能否结出“美丽的结晶”，就很难说，大部份地区是不能的。《水知道答案》的作者江本胜的思想与中国传统思想“仁者爱人”的思想是一致的。他说：“我们肩负着净化水资源、改变整个地球环境的使命。要想完成这一使命，其前提是我们每个人都必须怀有一颗澄净的心。” “水正静静地启发指引着人们未来发展的方向。” “我们最大的期盼应该是，让美丽的水结晶充满世界的每个角落。”
    笔者期望，人和大自然和谐相处，人人都有健康的体魄，能过上和平、安宁、幸福的生活，为社会做出更多的贡献。
    我国文人画家强调“读万卷书，走万里路”，要“外师造化，中得心源”；读书是向传统学习，走路是向客观世界学习，积累对大自然的感性认识和美的感受；还要在大脑中对它们加工探索、构思表达方式并加以实践，才能把胸（脑）中之景，转化为手中之画，而且画得生动传神，有意境、有创新。纳米世界是造化的一部分，但如不猎涉纳米花园，将难以领会纳米世界的美妙、神奇和大自然本身美的奥秘。