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對大多數人來說，水是世界上非常簡單、單純的一種物質，也是地球生命必須依賴的物質之一。但對于化學家來說，水由一個氧（O）原子和兩個氫（H）原子構成，性質十分怪異。近日，科學家成功将純淨的水分離成兩種完全不同類型的分子，揭示了關于水（H2O）不為人知的秘密…

更多地了解水的反應性對研究它的性質具有重大意義。雖然在化學中，水（H2O）隻是兩個H和一個O組成的簡單分子，但在不同的條件下，它可以表現出許多不同尋常的特性，形成怪異的物質狀态。

自旋（Spin）是粒子内部所具有的固有性質，是粒子與生俱來的角動量，其量值是量子化的。複合粒子的自旋是其内部各組成部分之間相對軌道角動量和各組成部分自旋的矢量和，即按量子力學中角動量相加法則求和。不同類型的粒子根據自旋值進行分類。

依據這一概念，令研究人員意想不到的是，生活中必不可少的水其實包含兩種不同類型的水分子，分别以不同的自旋方式存在：一種為水的鄰位異構體，組成其原子核的粒子的自旋和為1，另一種為水的對位異構體，它的核自旋總數為0。最近，來自瑞士巴塞爾大學的化學家們使用靜電場成功将兩種水分開。

兩類水的自旋方向不同且是固定的，這意味着每個分子保持其作為對位或鄰位異構體的特性。在自旋方面的理論差異是否會影響到兩種不同水分子與其他物質的反應性方面的差異？為了尋找答案，研究人員将二氮烯鎓限域于一種由鈣離子制成的超冷晶體，然後分别将鄰位和對位水分子注入晶體中心，與二氮烯鎓反應。

通過測定一定時間後晶體中剩餘二氮烯鎓離子的含量，即可反映出水異構體在反應中的活性。對反應結果進行統計發現，由于異構體中水原子的扭曲和自旋方式不同，使其反應活性比原水要高23%。通過計算機模拟分析也證實了這種差異，表明并非所有的水分子都具有相同的特性。

由于生命為複雜的水溶性機體，了解物質如何溶解并與水分子發生反應對生物學及其起源的理解至關重要。實驗結果也證明了以現有技術水平我們越來越有能力模拟和測試不同的量子特性對整個分子的影響。巴塞爾大學化學家斯蒂芬·威利奇表示，“更好地控制化學反應中所涉及的分子狀态，就能更好地研究和理解化學反應的潛在機理和動力學特征。”

最近，科學家還成功實現了史上最精确的化學反應——操控一個鈉（Na）原子與铯（Cs）原子的短暫成鍵。在如此精細的水平上操縱它們的反應活性并了解分子的量子特性無疑是化學的一大新領域。

可以預見，未來可能會有一些公司利用這一發現将水的異構體作為一種優質的瓶裝水高價出售，成為瓶裝水行業又一大新騙局~

文/朱張航宇

參考文獻：Observation of different reactivities of para and ortho-water towards trapped diazenylium ions, Nature Communications, 2018, volume 9, Article number:2096。doi:10.1038/s41467-018-04483-3

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