世界上最純的一滴水

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在地球上，想要製造最純淨的水，需要面臨哪些挑戰？

首先當然是水中溶解的各種雜質。不過，即使你已經通過反覆蒸餾、離子交換等方法除去了雜質，但只要水體仍然與空氣接觸，空氣中的種種物質又會迅速溶解到水體裡。那麼，我們在真空中收集這些純化過的水不就行了嘛？但這並不簡單，因為無論溫度如何，水滴在真空中都會很快地蒸發。可以說，即使在現代實驗室裡，想要獲得最純淨的水仍然是一個艱鉅的挑戰。

奧地利維也納工業大學的Ulrike Diebold設計了這樣一種辦法：在真空中放置一個“冰手指”，指狀金屬的尖端被冷卻到約－140℃；然後導入超純的水蒸氣，在“指尖”位置凍結形成小而超潔淨的冰柱；最後對“手指”升溫，讓冰柱融化。如此，就得到了世界上最純的一滴水。

世界上最純的一塊冰和一滴水 圖/TU Wien

接下來的問題就是，費勁周折才獲得的這一滴水有什麼用呢？答案是表面化學。

在自然界中，不僅沒有真正純淨的水，也沒有真正乾淨的表面。任何材料與空氣接觸後，都會在表面形成薄薄的分子層。這種“分子汙垢”可以顯著改變材料的表面性質，但卻非常難以研究。例如，二氧化鈦有著神奇的自清潔表面，可用於製造不起霧的鏡子。世界各地的研究人員已經發現：當二氧化鈦與水接觸時，會有一種特別的分子吸附在它的表面。此前，科學家們猜測這些分子可能是一種新型的水冰或者是溶解了二氧化碳的蘇打水。

製造最純水的Diebold團隊和他們的設備 圖/TU Wien

為了查明真相，研究人員製造出了世界上最純淨的水，並將其滴到二氧化鈦的表面。“為了避免雜質，實驗必須在真空中開展”，Diebold說道，“我們必須創造出一滴從未與空氣接觸過的水滴，然後將它滴到二氧化鈦經過苛刻的達到原子尺度清潔的表面。”

然而，科學家並沒有發現最純水能在二氧化鈦表面形成特別的“分子汙垢”，使用加入了二氧化碳的蘇打水也是如此，這意味分子層必須來自空氣中的其他物質。“當我們在空氣中重複相同的實驗時，我們看到了相同的表面結構。令人驚訝的是，在大都市維也納和紐約州鄉間的伊薩卡都是如此。”Diebold說道。

掃描隧道顯微鏡觀察到的最純水下（左）和空氣中（右）的二氧化鈦表面，空氣中的二氧化鈦表面在[001]方向上形成了單層羧酸鹽。 圖/Jan Balajka et al.

通過光譜和掃描隧道顯微鏡分析，研究人員最終發現這一結構來自乙酸和甲酸——兩種簡單有機酸，由植物釋放的揮發性物質異戊二烯分解而來。雖然其他許多分子在空氣中含量更高，但正是這兩種在大氣中含量不過十億分之幾的酸附著在金屬氧化物的表面，通過形成高度有序的單層結構並改變了表面的特性。 Diebold補充道：“那些被認為是微不足道的空氣成分，有時候是決定性的。”

這一研究於2018年8月發表在Science上。

來源:科學世界

原創： 編譯/tianren

編輯:Tiramisu(Y020)