從一滴水照見宇宙洪荒，到一枚神經元編織智慧星云，科學不再是公式的堆砌，而是萬物共舞的詩行，我們將這種難以言喻的美，用鏡頭一一呈現。

由中央廣播電視總臺社教節目中心出品，中國科學技術協會專業指導的五集科學紀錄片《科學之美》，正在CCTV-10科教頻道熱播。一起來看第一集《探索水的微觀世界》→

誰見過水分子的模樣

自然界里真的沒有兩片完全相同的雪花嗎

冰面光滑的背后究竟藏著怎樣的奧妙

冰雪融化的真相超乎我們的認知

讓我們穿透視覺極限

見證一滴水背后的科學奇跡

沒有飄雪的冬季，就少了一分這個季節該有的魅力和氣韻。

人們常說，每一片雪花都是獨一無二的冬日精靈。雪花的個體極其微小，直徑一般在0.5到3毫米之間，5000朵雪花放在一起，重量也不超過1克。

利用改造后的顯微鏡，雪花逐漸呈現出清晰的模樣。

有人通過研究發現了近6000種彼此不同的雪花。人們認為世界上沒有兩朵大小和形狀完全相同的雪花。人類已經發現，紛紛揚揚飄落的雪花盡管形態、細節方面各有差異，但大都是六角形的。

雪花為何具有瑰麗而奇妙的形態，這引起了許多科學家的興趣。盡管千差萬別，但雪花為什么都是六角形的？為什么是“6”而不是其他數字？

“科學家們早期的研究就發現，雪花的形狀取決于水分子的結晶過程。水結晶以后，它的結構是什么？自古以來，人類是非常感興趣的。科學家在這個方面做了很多探索。”中國科學院物理研究所研究員白雪冬說。

來自冰雪的魅力，吸引著探索的目光，年輕的學子們正以另一種視角呈現雪花形成初期的過程。

以電制冷的方式降溫。低溫沉寂了世界，也讓水分子們放緩了腳步。

零下10攝氏度的玻璃表面，使得它們迅速完成了從氣態到固態的轉換。水分子仿佛被一種無形的力量牽引，它們開始有序地排列，構建起一座座微小而精妙的冰晶宮殿。

低溫使得一顆水珠開始了自外而內的結晶過程。它們最終以一種特定的結構緊密相連，形成了堅硬而透明的晶體。這是一場溫度、結構與形態之間的奇妙對話。

在我國寒冷的北方，這樣的過程一次次地在玻璃窗上呈現。

中國科學院院士王恩哥回憶道，他幼年時便觀察到玻璃結冰時從小冰花開始，冰花自下而上凝結，慢慢就把玻璃凍得什么也看不見。人們認為自然界的冰花大部分都是六角形的，有人預計可能有四方形的，但是從來沒有人看到過。

對于科學家而言，這番探索不僅僅是為了揭示一片雪花的誕生過程。

自然的力量創造了雪花的萬般變化，也深刻影響著我們的生活。

“比如說高壓線路的結冰，有可能會形成停電、斷電的現象，短路的現象。通過結構的確認，能否開發出有效的抗凍劑。”白雪冬說，冰的不同結構會影響冷凍的效果。在生命科學、醫學等領域，如器官的保存、細胞的冷凍等等，這些效果和冰的結構都密切相關。

在王恩哥院士的推動下，白雪冬、王立芬科研團隊的探索，在2023年取得了重要進展。

液氮與電鏡的結合，創造出了一個特別的觀測條件。零下170攝氏度的襯底，氣相水瞬間凝結成冰晶。白雪冬回憶，最后，在實驗室里，在電鏡下，觀察到了純相單晶的立方冰。

王恩哥院士認為他們的工作第一次告訴大家，在雪花初期形成的過程中，立方形和六角形的雪花是同時存在的。

這是人類第一次看到雪花形成初期的本來面目，首先會形成無定形冰晶，大都會結晶形成純相的單晶立方體。隨后，逐步生長出六角冰。

這是人類關于雪花的研究歷程中邁出的重要一步，也讓我們窺探到了雪花所呈現的科學魅力。

學者們相信，這些發現將為解決那些結冰產生的“煩惱”帶來靈感。關于雪花謎題的探索過程中，科學家們已經關注到了它的本真形態，那就是我們再熟悉不過的水。

但是，我們真的了解水嗎？

一滴水珠的下落和入水，也展現著不同力量彼此作用的奧妙，以及能量的微妙轉換。

一場水分子的沸騰之舞，完成了液態和氣態的轉變。

這些司空見慣現象的背后，依舊有許多未解之謎。

“水本身非常地復雜，重要的一點就是它有很多反常的地方。”王恩哥院士說，《科學》雜志成立125周年之際，曾經提出本世紀125個最具挑戰的問題，其中一個問題就是“水的結構是什么”。

每一滴水珠，每一個冰晶，每一片雪花，都像是宇宙間的一個小小謎題。

它是地球不可或缺的資源，影響著天地的萬千變化。但我們對它并不完全了解，甚至還未能看到它的本來面目。

“我們人體里面有非常多的水，對于成人來講有70%都是水，所以水無時無刻都在跟生物分子發生相互作用。”北京大學物理學院教授江穎表示。科學家們逐步意識到，要真正破解這些奇跡的奧秘，就要了解水分子的結構，并掌握它們的諸多細節。這也成為了擺在人類面前的一道難題。

王恩哥院士說，水分子結構很簡單，由一個氧原子和兩個氫原子構成，形如一個“V”字。水分子我們早就知道，但是在實驗上卻沒有人給出第一張照片。

數百年來，科學家們通過光譜分析、X射線衍射等方法來觀測和驗證水分子的結構。看清水分子的模樣，才能從真正意義上，開啟水世界的大門。

2010年1月，在時任北京大學物理學院院長的王恩哥的動員下，年輕的學者江穎回國加入了北京大學量子材料科學中心。年輕的學者們開始搭建一臺能夠看清楚微觀世界的“眼睛”。

這是一場對未知原子世界的艱難探索。由于原子的直徑遠小于可見光的波長，這就使得再精密，放大倍數再高的光學相機，也難以看到原子的模樣。

“能夠看到氫，當時對我們來講是一個非常大的難題。”江穎說，后來突然想到可以通過另外一種力來成像，比如靜電力。因為水里的氫是帶正電的，如果能夠對靜電力成像，是不是就可以對水的氫成像。

2019年，江穎團隊在實驗室里首次觀測并拍攝到了世界上第一張亞分子級分辨率的水分子圖像。

“這個圖像剛出來的時候，剛好和黑洞出來的時間差不太多”，江穎回憶，自然界空間尺度相差大概10的20個次方的兩個物體，它們的圖像竟然非常類似。

這張奇妙的單個水分子圖像，為我們呈現了它們的狀態。水分子沉浸在電子云之間。水分子的氧原子部位，電子較多，顯得更亮一些，而氫原子的部位則相反，電子較少，因而顯得暗一些。亮暗之間水分子的身影逐步顯現。

從地球生命之源到瑰麗而奇異的宇宙黑洞，兩者的相似之處，或許預示著某種奇妙的關聯。

緊接著，江穎和同事們有了更奇妙的發現。在氯化鈉的表面，四個水分子借助彼此的作用力，以一定的方向性規整排列，形成了一個結構清晰的水團簇。原來，水分子們正是以這種溫暖的抱團方式，匯聚為一滴水乃至奔流不息的河流。

看清楚水分子的模樣，不僅僅是對水的了解更加清晰，這更意味著人類關于原子世界的科學認識獲得了突破。

20世紀初期，人類努力探索原子世界的奧秘。1927年，年輕的物理學家奧本海默博士和導師玻恩一同發展起來了“玻恩-奧本海默近似理論”。它成為科學界描述原子核與電子相互關系的經典理論。正是在關于水分子的研究中，中國的科學家們逐步意識到了經典理論的局限。

“現在看起來這個圖像在描寫由氫元素組成，也就是說由像水這樣的體系中，這個描述已經不太合適了，甚至來講會帶來很多錯誤。”王恩哥院士說，他們的工作恰巧是從這入手，超越“玻恩-奧本海默近似理論”，考慮到電子和原子核的量子化效應，統稱叫“全量子效應”。

基于這些發現，年輕的學者們完成了另一種創造，在食鹽表面用60個水分子拼成王恩哥名字的縮寫“E.G.W.”。這項工作實現了操作單個水分子并排列成穩定的圖案，表明中國科學家的實驗技術達到了國際上最高的水準。

關于雪花的探索不斷深入的同時，江穎團隊的“微觀之眼”鎖定了另一個有趣的話題：冰面之上為什么這么滑？

早在19世紀，就有學者提出，即使在遠低于冰點的溫度下，冰的表面也會出現一層薄薄的液體層。這被稱為冰的預融化。正是這層水膜，使得我們流暢滑行。但是，這個說法遭到了不少學者的質疑。

所謂的預融化真的會發生嗎？

一個冬天，江穎在北京大學未名湖散步時，發現湖面看起來有種漣漪，它的結構到底是什么？

北京大學未名湖水的結晶和消融，同樣發生在遙遠的南北兩極的冰川。在那里，廣袤的冰川和永凍層的消融，正在引發關于海平面上升和全球氣候變化的擔憂。它們的真相，或許將幫助我們發現兩極冰川融化背后的更多秘密。

江穎團隊發現冰表面在零下153攝氏度，其實就會發生預融化。預融化的起始點應該把它定在非常精確的一個溫度。

中國科學家的研究徹底揭示了冰表面消融的奧秘。在零下153攝氏度，融化已經從冰表面的超結構開始。冰的表面逐漸變得無序，最終，表面近乎完全液態。這也就是所謂的預融化現象。這種遠低于冰點的預融化機制所創造的水層，正是產生滑動的根本。

王恩哥院士認為，物理本質上有一個很大的特點，就是它能把復雜的事情簡單化，并且抓住這件事情的本質，這是物理最漂亮的地方。他喜歡做物理，也是崇尚物理之美。

科學家們的不懈努力

正在為我們開啟一扇重新認識水世界的大門

更在地球生態治理

水與生命健康

乃至于能源革命等領域

迸發出靈感火花

探索剛剛起步

未來的精彩值得期待