科學解釋:水到底是如何導電的?

水是一種電導體，這是在科學課上都會教的一個基本常識——當然這也是為什麼水系神奇寶貝怕放電類型的。但說實在的，儘管水導電的現象看似很簡單，但200多年來，沒有人能夠在原子層面上解釋水是如何導電的。

有趣的是，雖然在周圍世界看到的水都是良電導體，在實驗室之外很罕見的超純水實際上不導電，因為它缺乏自由電子。但是，在自然界中，幾乎所有的水都會與沉積物和礦物質混合，從而電離水分子並使之導電。

但一直以來，科學家還沒辦法解釋質子（氫原子核）本質上是如何在水中移動的。在化學和生物學中，這個基本過程還未有一個強有力的解釋。

直到現在，由耶魯大學（Yale University）化學教授Mark Johnson領導的一組研究人員首次對水分子中發生的電子轉移拍攝了光譜快照，終於揭開了水如何導電之謎。

科學家終於知道水的導電過程是水分子通過氧原子將質子從一個水分子轉移到另一個水分子，就像分子接力賽一樣。水分子的導電過程被稱為格羅特斯機理（Grotthuss mechanism），化學家特奧多爾·格羅特斯（Theodor Grotthuss）於1806年首次對此進行了描述，兩百多年之後終於在原子層面上得到了解釋。下圖是水分子導電的機理圖：

紅色為氧原子，灰色為氫原子

多年來在分子水平上研究水的化學性質為Johnson的團隊提供了一個優勢。他們能夠凍結化學過程，得以捕獲分子的瞬態，從而揭示由于格羅特斯機理導致的結構變化。

為了提高圖像的清晰度，研究人員只使用了5個「重水」分子（由氫的同位素氘和氧組成的化合物），然後將之冷卻至接近絕對零度（零下273.15攝氏度）。這樣，一切過程都被放慢，質子運動的圖像也就能變得更加清楚了。

本質上，科學家發現的是一種羅塞塔石碑（解釋古埃及象形文字的可靠線索）。這提供了關於水及其導電性能的新見解，而此現象是地球上許多化學反應的一部分。

除此之外，該研究團隊使用的技術也是革命性的。它也可以使我們一窺水的其他性質，例如其神秘的第二種液態。

儘管水無處不在，但它是宇宙中最不可思議的分子之一。對水及其導電性在原子層面進行更深入的研究，可揭示科學家先前錯過或誤解的東西。