发表者：田中肇（东京大学生产技术研究所教授）

论文要点

✦由于缺乏有关液态水结构的深入理解，关于水的各种异常性原因的争议持续了超过一个世纪。这次，通过水结构的模拟实验和对水进行实际的X射线散射实验数据的分析，发现了直接且确凿的证据，可以证明液态水中存在两种结构。

✦这一发现的创新性在于不仅为“水中同时存在无序结构和有序结构”的两种状态模型提供了直接证据，同时终结了围绕水的结构以及水的特异性的构造性原因的长年争议。

✦这一发现有利于理解纯水的结构，而且有利于理解电解质溶液、生物体内的水等各系统内的水结构。另外，除了能够促进对水的物理和化学特性的理解之外，该发现对与水有关的领域，包括化学，生物学，地质学，气象学，甚至应用领域等，都有望产生巨大的连锁反应。

论文概要

水是地球上最重要的液体，在各种化学、生物、地质、气象过程中发挥着重要作用。水具有其他液体所没有的各种特异性，例如在4℃时密度最大等。普遍认为其原因在于液体结构的特殊性。然而，尽管进行了几个世纪的研究，由于液体具有较大的热波动（注1），用于理解液态水的基本结构仍然未知，并且仍是饱受争议的根源。

具体来说，自伦琴射线（1892年）发现后的一个多世纪以来，争议一直围绕着两种观点，一种观点是“连续体模型”，认为水的结构呈广泛连续分布（由约翰·波普（诺贝尔化学奖得主）等人提出），另一种观点是“混合模型”，认为水的结构由两种成分组成（由威廉·伦琴（诺贝尔物理学奖得主）、莱纳斯·鲍林（诺贝尔化学奖得主）等人提出）。争议持续的原因在于，此前一直没有发现直接且确凿的证据，可以证明水中存在两种结构。

东京大学生产技术研究所的田中肇教授和特任研究员石锐的研究团队通过一般水模型的模拟实验和对最新的X线散射实验数据的详细分析发现，在水的结构因子（注2）中，看上去是“第一个的衍射峰”中，实际隐藏着两个衍射峰（见图1）。

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图1：从液态水散射的X射线（蓝色波浪箭头）的示意图。

左下方的圆圈为通过模拟获得的水结构（蓝色表示四面体结构，红色表示无序结构）。右上方的图则显示从这一结构产生的X射线散射的结构因子（蓝色峰表示四面体结构的散射，红色峰表示无序结构的散射）。

图像表明，其中一个隐藏衍射峰与水中形成的正四面体结构相关，另一个衍射峰则与无序结构相关。此结果有力地支持了水中存在两种结构这一观点，同时有望为持续多年的争议得出结论。

本成果于2020年1月30日（美国东部时间）在线发表于“Journal of the American Chemical Society(JACS)”(《美国化学学会杂志》)。

发表内容

东京大学生产技术研究所的田中肇教授和特任研究员石锐的研究团队为了探寻造成水异常性的结构性原因，对三种常见水模型进行了模拟实验并对最新的X线散射实验数据进行详细分析后发现，在水的结构因子中，看上去是“第一个的衍射峰”中，实际隐藏着两个衍射峰。其中一个衍射峰与水中形成的正四面体结构引起的密度波有关，另一个衍射峰则与无序结构引起的密度波有关。此结果有力地支持了水中存在两种结构这一观点，同时有望为持续多年的争议得出结论。

迄今为止有关热波动的影响下水结构的争议，主要围绕两个观点，一种是“在某一种结构的周围广泛分布”，另一种则是“两种结构（有序结构和无序结构）动态混合存在，从而导致具有两个衍射峰，分别对应两种结构”。这样的争议之所以持续这么多年，是因为此前一直没有可经过试验验证的直接证据，证实水的结构特征。

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（图片来自百度）

本次的研究结果的意义在于，其证实了由四面体结构引起的衍射峰的存在，其可以通过X射线散射和中子散射直接测定，同时，研究团队使用分子级结构指标单独算出液体中正四面体结构的所占比例，发现衍射峰强度与算出的比例值相当。

实际上，本研究获得了直接证据，证实在液态水中，伴随着温度下降，会形成更多的能量稳定的正四面体结构。由此，基于“液态水中无序和有序的局部结构动态共存”的两种状态模型的现象论（H. Tanaka, Phys. Rev. Lett. 80, 5750 (1998)）的恰当性，在分子级别得到了验证。

本发现的重要性在于，其被认为有可能终结关于水的结构的长达一个世纪的争议。同时，水中两种结构共存这一事实也暗示着在不同条件下，液态水有可能存在两种不同的形态。

水的重要性质之一是其对环境的适应能力，其状态会随着温度、压力、离子浓度等发生很大变化，其关键在于两种状态按一定比例同时存在，具有其他单纯的液体所没有的自由度。

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（图片来自百度）

水对人类而言至关重要，而此发现有望成为解决争议的关键，通过实验验证解决围绕水结构的长年未解决的问题。而且，不仅针对纯水，此发现还有利于增进对于电解质溶液、生物体内的水等各系统中水结构的理解。

此外，除了能够促进对水的物理和化学特性的理解之外，该发现对与水有关的领域，包括化学，生物学，地质学，气象学，甚至应用领域等，都有望产生巨大的连锁反应。

发表杂志：「Journal of the American Chemical Society (JACS)」（《美国化学学会杂志》）

论文题目： Direct Evidence in the Scattering Function for the Coexistence of Two Types of Local Structures in Liquid Water（液态水中两种局部结构共存的散射函数的直接证据）

作者：石锐，田中肇

DOI：10.1021/jacs.9b11211

用语解说：

注1：热波动

与有限温度下观察到的平均状态的随机微小偏差。温度增高则热波动变大，而随着温度接近绝对零度，热波动减小。

注2：结构因子

描述从物质产生的X射线散射的因子，反映物质中的电子密度分布，即物质结构。

（翻译：李释云审校：李涵、贾陆叶统稿：Susan）

参考日文报道原文：https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/3242/

固体高分子燃料电池中自支撑型微孔层的液态水行为观察

新发现：液态水中存在两种结构