◎李存璞
一滴水大约为0.05毫升,约10万亿亿个水分子。半滴水0.025毫升,5万亿亿个水分子。那么,半滴水还算一个水滴么?如果半滴水算,那半滴水的半滴呢?如此细分下去,终点将是一个水分子。那么,间苯三酚的滴速多少合适,一个水分子能算是一滴水么?如果不算,那最少要多少个水分子才可称为一滴水?
2020年年底,发表在英国皇家化学会旗舰期刊《化学科学》上的一项研究,报告了答案:米兰理工大学的科学家发现,21个水分子组成的分子团,与宏观的一滴水的光谱基本吻合。也就是说,最少需要21个水分子才可以组成一滴水。
在临床上常用滴管的规格在滴管上都有显示,有9cm和10cm的两种,20滴加在一起是1ml,所以平均一滴是0.05ml。临床另一种常见装液体的装置,是静脉输液时使用的输液器,一滴平均等于0.04ml,或0.05ml以及0.06ml左右。
光谱让水分子说话
我们不妨从一个水分子的视角,来思考这个问题:假设在一滴水中随机挑选一个水分子,我们叫它W。尽管0.05毫升的一滴水中大约有1021个水分子,但真正围绕在W周围的水分子并不多。
一滴液体的体积大约为0.05毫升。在患者进行输液的时候,可以通过输液的总量以及输液滴速推算输液所需要的时间,一滴液体的量具体是多少在这样的时候会有一定的临床意义。这种情况只是一种大致的估计,精确的一滴液体的体积可能。
但W究竟是怎么想的,我们并不知道。得想个办法让W告诉我们,它是不是在一滴水中。
一般一毫升的水大约是25滴左右,所以一滴水就相当于0.05毫升。一滴水大概0.04ml至0.05ml左右。根据专业的数据来证明,一毫升的水大概是20滴至25滴,用这种方法来换算的一滴水就是0.04ml至0.05ml。水的化学式为H&#。
幸运的是,水分子每时每刻都处于不断的运动当中,这被称为分子振动。每一种分子振动的能量不同。我们可以用光谱学方法,来侦测各类振动的频率,就如同耳朵听不同频率的声音一样。
水分子的振动光谱与其周围的其他水分子密切相关。我们可以利用光谱学这一工具来观察,随着周围水分子个数增加,W的分子振动如何变化。当W的分子光谱与宏观上水滴的光谱一致时,我们也就找到了最小的这滴水。
不过,科学家迄今还没有掌握在一个水分子周围精确增加水分子的技术,而且一个水分子的分子光谱信号太弱,根本没有办法侦测到。科学家发现,通过计算机建立模型,就可以模拟得到在W周围添加水分子时,它的光谱如何变化。
化学中对分子的模拟主要有两个方向。一个方向是利用量子力学方法模拟系统中每一个分子,包括分子中每一个原子、电子的量子相互作用,计算量巨大,这种方法主要用于研究分子的静态特性。另一个方向是利用分子动力学方法,将分子想象成是刚性原子用弹簧连接而成,分子之间的作用主要考虑静电相互作用,计算量小,可以方便模拟分子振动这样的动态过程。
1滴等于0.1ml。根据滴系数不同,1滴0.1ml、0.06ml、0.05ml、0.02ml四种规格。、实际上计量一滴时,跟你所用滴管的直径有关,也跟液体的粘稠度有关,滴管直径大,液体的粘稠度适当的大些,一滴液体的体积也就。
寻找最小的水滴
他们进一步增加W外围水分子的个数,发现当有20个水分子,即形成21个水分子的分子团时,计算得到的W分子光谱与实验值吻合得很好。这说明W此时已经认为自己真的在一滴水中了。于是,研究人员得出结论:最小的这滴水由21个水分子组成。
从极小到极大,现代科学关注自然各个尺度的现象。一方面,科学家不断将研究目标缩小,小到原子核内部的质子、夸克;另一方面,也不断将研究目标放大,大到整个星系、宇宙。而在这小和大的中间,存在许多跨尺度的有趣现象。
若是用一般的滴管滴,则大约为0.05ml,若是用滴定管滴,则大约为0.04ml。水滴的大小是不同的,是因为滴出口径不同、水质不同张力就不同、温度影响等多种原因都能造成水滴大小有区别,实验室用滴管滴下的水滴,
比如,21个水分子组成的纳米尺度下的一滴水,在一定程度上具备宏观上一杯水的特征。又比如,厚度仅为一层碳原子、径度却可延展到几米的石墨烯,具有优异的电学、力学性能。另比如,电子转移仅需10-12秒,但电池充电却需要数小时。这些跨越时空尺度的问题,沟通了物质的微观组成与宏观性质。
而微观和宏观的界限在哪里,常常不是那么分明。比如在一块晶体中,晶胞可以被认为拥有晶体很多宏观性质,但多少个-CH2-重复出现才能算一个聚乙烯分子,似乎就很难严格定义了。因为水是生命体系最重要的溶剂,也是很多化学和物理变化的介质,我们找到水分子到宏观水滴的这个界限,或许可以帮助更好地认知和模拟生命体,理解更多的化学物理过程。