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对大多数人来说，水是世界上非常简单、单纯的一种物质，也是地球生命必须依赖的物质之一。但对于化学家来说，水由一个氧（O）原子和两个氢（H）原子构成，性质十分怪异。近日，科学家成功将纯净的水分离成两种完全不同类型的分子，揭示了关于水（H2O）不为人知的秘密…
更多地了解水的反应性对研究它的性质具有重大意义。虽然在化学中，水（H2O）只是两个H和一个O组成的简单分子，但在不同的条件下，它可以表现出许多不同寻常的特性，形成怪异的物质状态。
自旋（Spin）是粒子内部所具有的固有性质，是粒子与生俱来的角动量，其量值是量子化的。复合粒子的自旋是其内部各组成部分之间相对轨道角动量和各组成部分自旋的矢量和，即按量子力学中角动量相加法则求和。不同类型的粒子根据自旋值进行分类。
依据这一概念，令研究人员意想不到的是，生活中必不可少的水其实包含两种不同类型的水分子，分别以不同的自旋方式存在：一种为水的邻位异构体，组成其原子核的粒子的自旋和为1，另一种为水的对位异构体，它的核自旋总数为0。最近，来自瑞士巴塞尔大学的化学家们使用静电场成功将两种水分开。
两类水的自旋方向不同且是固定的，这意味着每个分子保持其作为对位或邻位异构体的特性。在自旋方面的理论差异是否会影响到两种不同水分子与其他物质的反应性方面的差异？为了寻找答案，研究人员将二氮烯鎓限域于一种由钙离子制成的超冷晶体，然后分别将邻位和对位水分子注入晶体中心，与二氮烯鎓反应。
通过测定一定时间后晶体中剩余二氮烯鎓离子的含量，即可反映出水异构体在反应中的活性。对反应结果进行统计发现，由于异构体中水原子的扭曲和自旋方式不同，使其反应活性比原水要高23%。通过计算机模拟分析也证实了这种差异，表明并非所有的水分子都具有相同的特性。
由于生命为复杂的水溶性机体，了解物质如何溶解并与水分子发生反应对生物学及其起源的理解至关重要。实验结果也证明了以现有技术水平我们越来越有能力模拟和测试不同的量子特性对整个分子的影响。巴塞尔大学化学家斯蒂芬·威利奇表示，“更好地控制化学反应中所涉及的分子状态，就能更好地研究和理解化学反应的潜在机理和动力学特征。”
最近，科学家还成功实现了史上最精确的化学反应——操控一个钠（Na）原子与铯（Cs）原子的短暂成键。在如此精细的水平上操纵它们的反应活性并了解分子的量子特性无疑是化学的一大新领域。
可以预见，未来可能会有一些公司利用这一发现将水的异构体作为一种优质的瓶装水高价出售，成为瓶装水行业又一大新骗局~
文/朱张航宇
参考文献：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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