水，可以稱(chēng)得上是最簡(jiǎn)單的分子，H2O。這個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)式，在搞物理的人眼里卻蘊含著(zhù)太多的謎題——

　　為什么熱水可以比冷水更快結成冰？

　　為什么4攝氏度水的密度是最大的？（注：按照一般物理規律，溫度越低密度越大。）

　　為什么水結成冰能迅速從無(wú)序變成有序？（有研究測算，水分子“站成隊形”的時(shí)間只需要0.2皮秒。）

　　“水有很多反常性質(zhì)。”在日前召開(kāi)的香山科學(xué)會(huì )議“水的微觀(guān)結構和動(dòng)力學(xué)”學(xué)術(shù)討論會(huì )上，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員楊國楨指出，水分子構成非常簡(jiǎn)單，但從科學(xué)的角度卻極具挑戰性，它結構復雜，常以分子團的形式存在，它結構奇異，呈現出明顯的量子特性。

　　因此，從原子、分子的層面去理解水的結構和性質(zhì)，理解它與其他物質(zhì)相互作用的機理，將對生命科學(xué)、能源、材料、環(huán)境等領(lǐng)域的重要應用和技術(shù)發(fā)展帶來(lái)重大變革。

　　重大變革所言非虛，最突出體現在能源資源的利用上。

　　“在某些金屬表面，氫與氧的結合能會(huì )大大降低，有一定的概率，‘氫’是處在自由狀態(tài)。”楊國楨解釋?zhuān)@意味著(zhù)，存在非常好的催化劑，給人類(lèi)機會(huì )能夠‘抓住’水分子里的自由氫，進(jìn)而低成本地利用氫作為能源。

　　也就是說(shuō)，深入研究水分子在物質(zhì)表面的狀態(tài)，甚至可以幫助人類(lèi)找到一個(gè)神奇的催化劑，助推能源工業(yè)跨過(guò)“水變氫”的能量鴻溝。

　　從量子的視角看，還會(huì )發(fā)現水的另一個(gè)重大變化。

　　“一般認為水在很細的管子里會(huì )受阻，流動(dòng)速度會(huì )變慢。”楊國楨說(shuō)，但當管子細到納米的尺度，一切就不一樣了。

　　實(shí)驗顯示，水分子在納米尺度反而會(huì )變得有序，仿佛“一份一份”排成隊，具備量子的特性，能夠迅速集結成隊，因此其在幾納米直徑的管道里的實(shí)測流動(dòng)速度比流體力學(xué)理論的預測速度高4—5個(gè)數量級（即1萬(wàn)—10萬(wàn)倍）。

　　“這對于海水淡化將帶來(lái)顛覆性變革。”楊國楨認為，如果能找到建立微通道的有效辦法，水的流通是不被物質(zhì)所阻擋著(zhù)的，一旦實(shí)現工業(yè)化利用，那么大大降低海水淡化、污水處理等行業(yè)的成本，并帶來(lái)極大的經(jīng)濟效益。

　　科技創(chuàng )新要面向人民生命健康。對于占人體重量70%的水來(lái)說(shuō),在量子視角深入研究將帶來(lái)更意想不到的生命健康的啟示。

　　“生命體內具有小尺寸獨特結構和表面電荷分布的離子通道，在這些離子通道中，離子和分子會(huì )以單鏈的形式進(jìn)行超快傳輸。” 中國科學(xué)院院士、中科院理化技術(shù)研究所研究員江雷表示，在生命體系中，離子和分子的快速傳輸表現出量子化的超快流體狀態(tài)。

　　在生命活動(dòng)中有著(zhù)重要作用的“生物酶”，在催化生命活動(dòng)時(shí)利用通道大大提高反應效率、降低反應門(mén)檻。

　　“例如，天然橡膠在橡膠樹(shù)中只需要30攝氏度的反應溫度就可以合成，而人工合成的反應溫度卻高達92攝氏度。” 江雷解釋?zhuān)谩傲孔酉抻虺黧w理論”，仿照自然界“酶的通道”，相關(guān)研究可以把原來(lái)的70攝氏度、24小時(shí)、產(chǎn)率78%的化學(xué)反應，改進(jìn)為一分鐘實(shí)現100%產(chǎn)能。

　　量子視角看“水”，這些事實(shí)令人驚呆，科學(xué)家們深信，還有更多的意想不到等待探索和挖掘。美國、歐洲、日本等發(fā)達國家，已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)方向的研究和積累，據統計，美國自然科學(xué)基金委每年投入4千萬(wàn)—7千萬(wàn)美元開(kāi)展研究，10年發(fā)表論文超過(guò)7萬(wàn)篇。

　　“我國對水科學(xué)基礎研究的關(guān)注和投入有限，方向比較分散，研究水平有待進(jìn)一步提高，缺乏從國家專(zhuān)業(yè)層面對水科學(xué)基礎理論和實(shí)驗技術(shù)發(fā)展的統一規劃和引導。”楊國楨說(shuō)。

　　毋庸置疑，人類(lèi)對水的認識存在嚴重不足，從水的視角來(lái)理解生命、環(huán)境、能源等領(lǐng)域才剛剛起步。

　　與會(huì )專(zhuān)家認為，推動(dòng)重大理論創(chuàng )新應做好兩方面的融合，一方面將水科學(xué)研究與相關(guān)學(xué)科進(jìn)行交叉融合，實(shí)現對水及其參與的相關(guān)過(guò)程的深入和正確的認知；另一方面，基礎理論的研究要和應用結合起來(lái)，以目標領(lǐng)域的重大基礎性問(wèn)題為導向，從水科學(xué)的量子視角尋求最優(yōu)化答案。