雪花·冰花·纳米花——小康人要喝碱性小分子水

来源：《科学中国人》（ 2004 年第 12 期）

      进入 21 世纪，竞争愈来愈剧烈；要屹立于世界民族之林，就得要有创新；要为社会服务和创新，还得要有健康的身体。本文从水的结构谈到小康人的喝水和养生。但愿人人都有健康的身体，为社会多做贡献。

      北方冬天，天气一冷，会出现千里冰封、万里雪飘、银装素裹、一片洁净的世界。诗人为之豪情大发，穷人为之愁结衷肠。

      《红楼梦》中贾宝玉曾说过：“女人是水做的。”，其实男人也是水做的，因为中年男人或女人，身体中约 70% 是水。小孩的水含量更高，老年人低些。人类需要喝水，需要用水把身体内的废物运出体外，水是人类吐故纳新的基本物质。没有水，生命也就完结。喝什么水才能养生，成为人人关心的大问题。《红楼梦》第四十一回，栊翠庵茶品梅花雪，妙玉请黛玉喝茶，宝玉跟去，引出一段关于采水、藏水的论述。妙玉的水，亲自采自梅花上的雪，用一鬼脸青瓮装好，依黄酒“女儿红”藏酒的方法，在地下埋了五年，才取出煮 开泡茶。她用的水，工艺复杂，但不是好的饮用养生水。

      雪花、冰花和纳米花有一个共同的特点，即在生长初期均为纳米粒（ 1 ～ 100 纳米），也称胶粒。胶粒物质由高浓度向低浓度扩散而后沉积，重复此过程使胶粒生长。含胶粒的物质称为胶体。常见的物质分为气、液、固体三态。例如大气是由氮、氧、二氧化碳、水汽等组成的透明气体；如含水汽较多的大气，遇到冷空气，会出现液态小水滴；更冷时，会出现固态的小雪花，通常称之为气溶胶体。小雪花长大后落向地面。北方冬天，水结成冰。初生的小冰花会长大，并浮向水面，最后形成冰封世界。水中含固体小冰花的体系称为液溶胶体。同样，炼钢过程中液态钢冷却时出现某种成份的小粒子，人们称之为固溶胶体。在纳米薄膜中也易生成纳米粒，出现美丽的形像。

      本文只想从美学和科学角度谈论雪花、冰花和纳米花的结构美、喝水与保健等问题。

一、纳米粒的形成和生长

      我国的祖先早已懂得利用胶体，例如用海水晒盐，用井水煮盐；又如用墨制作碳粒胶体，用来写毛笔字（书法），等等。西方在 19 世纪已有人研究胶体， 20 世纪建立胶体化学学科。搞气象预报的人早已有人研究气溶胶体。笔者在上世纪 50 年代末开始研究银氧铯光电阴极发射机理时，就已提出银胶粒模型；接着详细推导和讨论了离子晶体中，固溶胶粒的形成条件和生长规律。

      作者指出对共价晶体也可以得出类似的公式。只要将系统的参量稍作改变，这些公式就可用于气溶胶体和液溶胶体的讨论。当均匀物质中某成份的浓度超过临界值时，就可能有另一相的纳米粒子出现。此临界值与体系的浓度、温度和压力有关。此系统存在理论粒子临界尺寸。当该成份的浓度较高时，其分子由碰撞而聚集在一起的机率较大。如果此聚集的粒子比临界尺寸小时，它可能分散而缩小。反之，如果比临界尺寸大时，它将继续长大，而且不断长大。临界尺寸是粒子长大或缩小的分界，也是系统出现相变的判据。

      出现相变后，粒子的生长靠分子扩散；扩散总是由高浓度处向低浓度处进行。系统中的粒子有一定大小分布，小粒子周围的浓度高，总是向大粒子周围扩散，并沉积在大粒子上。由于沉积地点和键合角的关系，会生长成各种形状。这样，小粒子就不断缩小，甚至消失；而大粒子不断长大。

二、水和冰的结构

      水和冰的微观结构十分美丽，我们称之为雪花和冰花。水分子是由一个氧原子和二个氢原子组成，写成 H 2 O 。水有气、液、固三态。气态时，单个水分子的结构已经测定： O-H 的键长为 0.0957 纳米； H-O-H 两键间的夹角为 104.52 0 。成键时，氢的价电子与氧的价电子形成共价键，因此使带正电荷的氢原子核失去价电子的屏蔽而呈正电性，而氧原子因吸引氢的价电子而呈负电性。由于静电作用，一个水分子中的氧原子可能吸引另一个水分子的氢原子，形成 O-H...O 键，即所谓氢键，氢键的不同构成水的不同形态。

      常见的雪、霜、冰花等都呈六重对称结构。由于沉积时水分子沉积位置和键角的分布，会形成复杂而美丽的基本上呈现六重对称的雪花和冰花。此外，氢键的强度远低于碳的共价键，因此冰的硬度远低于金刚石的硬度。

三、雪花

      中华文人对宏观雪景甚感兴趣，结合自己的人生感受，创作许多感人肺腑的诗词作品。其中，毛泽东的《沁园春·雪》独领风骚，甚有气势。但未闻有人用显微镜来欣赏雪花的结构美。然而，国外的科学家中就有人拍下雪花的照片和纪录片。这里引用《对称》（ H ·外尔著，冯承天 陆继宗译）中的一张图，如图 1 所示。此图有 12 朵雪花，每朵雪花均有六瓣，六瓣结构基本相同，均呈六重对称，甚具美感。如仔细观察它们的中心部分，可以发现各有特色。

      雪花和小水滴都是从过饱和的大气中析出的纳米粒，而后长大。它们的差别是：当扩散而后沉积到纳米粒的水分子能够移动时，由于表面张力使粒子成球形，即是小水滴。当环境温度更低时，沉积到粒子的水分子不能移动，由于沉积地点和氢键的空间结构而生成六瓣雪花，形成各种对称图案，令人不得不惊叹造化的美妙。有人说“天上掉下的雪花，没有两片是完全相同的”，但无人加以确证。

四、冰花

      放眼当今世界，科技发展日新月异，但也出现环境污染、泡沫经济、种族歧视、国际纷争等问题。到底是谁把这个世界搞得如此复杂，答案难以寻觅。日本人江本胜花了十年时间，写了一本《水知道答案》（有猿渡静子译的中文本）。他认为：人的身体 70% 是由水构成的。“想要健康而幸福地度过一生，只要让占人体 70% 的水干净就可以实现了。‘水是生命之源。'因此，了解水，就等于了解了宇宙、大自然，乃至生命全部。”

      他从“雪之结晶，没有两片是相同的”得到启发，决定做水结冰的实验。他带着助手在 -5 ℃ 室内用高速摄影机对水样进行观察和拍摄冰的结晶；花了十年时间，选了 122 幅风姿各异的照片，写成此书。此书已引起人们注意，并成为多种译本的畅销书。江本胜曾应邀在欧美等地讲学。

      水分子在 0 ℃ 以下、在大气中会结成雪花，在水中结成冰花。它们的物理过程基本相同。因此，冰花也没有两朵是相同的，即不可重复的。在江的书中，他把水分成：“美丽的结晶”、“六角形的结晶”、“不规则的结晶”及“无法形成结晶”四等级，从而迅速了解各种水样的情况。例如他的实验证明：好的活水能结出美丽的结晶。活水包括冰河水、涌泉、深山流水、无污染的流水等，它们都经过沙土层或地表层的过滤，含有丰富的矿物质。笔者认为矿物质易聚成亚纳米粒，形成水结晶的核心。各地水中所含矿物质的内容不同，会影响水结晶冰花的形状。江的书中有各地矿泉水样的照片，现引用其中一例，请读者欣赏。图 2 是日本的山黎县北部三分之一泉泉水的冰花，呈现大自然浑然天成的自然美。在他的书中也有被污染水的水样的照片，它们都无法形成结晶，只是一些杂乱无章的粒子。

      他的书中还说，水能听懂音乐，听懂不同的语言，看懂各种文字，欣赏风光照片，有选择地结出或不结出冰花。那么，水分子怎能理解各种人类的语言、文字、音乐和图画呢？该书作者用“波动”来解释他们的成果。但笔者认为其机制仍不清楚，有待后人进一步研究。虽然笔者对水分子能听懂语言和音乐、看懂文字和图片表示质疑，但对他们花了近十年的时间所拍摄的显示自然美的各种风姿照片，颇为欣赏。

五、 关于饮用水和养生

      水是很好的溶剂，人要吐故纳新都得靠水。要健康而幸福地度过一生，就要保证人体 70% 的水不受污染。因此，喝什么样的水成为人生的重要问题。

      1、饮用水的分类

      饮用水分为：有益水、中性水和污染水三类。污染水亦称有害水，不能喝。中性水包括蒸馏水、去离子水等，对人维持生命起作用，但缺乏对人有益的微量元素。《红楼梦》中妙玉将梅花上的雪收集起来作为品茶用水，既费事又不科学。天上下的雨雪，大部分来自海洋吸收太阳能而蒸发的水蒸汽，随风吹往各地，遇冷而成雨雪。它们不含人体所需的微量元素。深山中从地层流出的泉水或地下涌出的泉水，含微量矿物质，能结成完整的冰花，属于有益水。

      2、关于自来水

      现代城市人基本上喝自来水。江本胜对世界各城市的自来水水样进行了一些观察，并在书中介绍伦敦、巴黎、东京、罗马、威尼斯、悉尼、曼谷、香港等地自来水的结晶照片，都属于“无法形成结晶”类；泊尔尼、纽约、温哥华、澳门等的自来水水样属于“六角形的结晶”类；只有华盛顿自来水水样属于“美丽的结晶”类。

      该书中没有中国大陆城市的自来水水样的照片。

      3、关于小分子水

      水是生命之本、健康之本，有关水的研究是造福人类的大事情。近来对水的研究和认识有较大的进展。现在已经知道，水由各种大、中、小分子团簇和所含的无机离子物质组成。

      水分子团簇越小，活性越大，在人体内穿过细胞壁的能力越强，这种水喝起来也越好喝；而分子团簇越大，活性越小，也不好喝。

      现在国内外都有多功能小分子水制水机出售。通常用电解方式，在正电极区提取出负离子小分子水，而在负电极区提取正离子小分子水。 1 、正离子水偏酸性，有收敛性和漂白作用，可以用于美容、美发。它也有短暂的杀细菌作用，并且是无害的。 2 、负离子水偏碱性，口味甘甜，是优秀的饮用水，有一定的治疗和保健作用。这种由 5 ～ 7 个水分子团簇组成的水，轻而易举地出入人体细胞，使身体内呈弱碱性，使新陈代谢的能力加强，故有人称之为“生命之水”。

      4、小康人要喝碱性小分子水

      我国人民即将进入全面小康的社会，人们的饮食结构有很大的改善，但也带来问题，即所谓“富贵病”和污染食品对人的损害。

      人们习惯于餐饮酸性食物（米、面、肉、蛋、糖、烟、酒等），使体内产生大量的酸性物质，体质出现酸化，影响新陈代谢的正常进行，降低了免疫功能。而我们日常生活中，碱性食品仅有蔬菜、豆腐、海菜、水果等，即使吃些碱性食品，也难以改变体内的酸性。如大量饮用碱性小分子水，可以促进体内水的新陈代谢和其他有用物质的新陈代谢，使体内呈弱碱性，促进身体健康。既然喝小分子水有众多好处，我国卫生保健部门就应重视制水机性能的改进，加强小分子水的治疗保健作用效果的研究，而后大力推广，开拓小分子水的产业市场，以造福广大人民。

六、 纳米花

      如将水溶液换成其他化学溶液，或其他气溶胶体系或固溶胶体系，也可能会析出美丽的纳米花；不同的体系材料会结出不同的纳米花，而且往往比冰花更复杂。体系中纳米粒的形成和生长原理已在本文开头有简单介绍。

      笔者和同事及研究生在研究超高密度信息存储薄膜材料研究时，发现和拍摄到一些美丽的纳米花、海马、鱼虾、龙凤等形像照片。

      北京大学化学院 李彦 教授 和 博士后李雪梅等在参加国家 973 课题任务，采用溶液制作纳米粒材料时，发现并拍摄了不少美丽图片。

      这些纳米花不受六重对称的限制，可以生成千变万化、多姿多彩的图像。她们把这些图片编成《纳米花园图集》，并拟对纳米花的图形进行计算机模拟。我对她们的纳米花很感兴趣，征得她们的同意，这里刊登三幅照片，请读者从艺术角度来欣赏。所选的图 5 、 6 、 7 三张都是由 CdS 材料构成的纳米花。图 5 是一张特写，它有常见的重瓣花型特征，但又与常见的花型不同；它的生长不要种子、土壤、阳光、雨露，但仍长得鲜艳动人。请注意其左下角的参考尺寸长度为 200 纳米，它是真正的纳米花。图 6 是一张 CdS 纳米花丛，生气勃勃，欣欣向荣。图 7 是一张寒光四射的纳米花，为什么其中心一朵纳米花有民间所说的双层“佛光”？它是怎么形成的呢？纳米世界真奇妙！

      随着我国经济的快速发展，纳米科技也得到发展，近两年我国发表的纳米科技论文数已居世界第二位。笔者相信，随着发展必将出现新的纳米花园和奇花异草，希望对纳米花有兴趣的各方人士能到纳米花园驻足欣赏。

七、 结束语

      天道崇美，雪花、冰花、纳米花都是美的。地球上没有两片雪花和两朵冰花是相同的。但由于天然和人工的原因，世界各地的水样能否结出“美丽的结晶”，就很难说，大部分地区是不能的。《水知道答案》的作者江本胜的思想与中国传统的“仁者爱人”的思想是一致的。他说：“我们肩负着净化水资源、改变整个地球环境的使命。要想完成这一使命，其前提是我们每个人都必须怀有一颗澄净的心。“”水正静静地启发指引着人们未来发展的方向。”“我们最大的期盼应该是，让美丽的水结晶充满世界的每个角落。”

      笔者期望，人和大自然和谐相处，人人都有健康的体魄，能过上和平、安宁、幸福的生活，为社会做出更多的贡献。

      我国文人画家强调“读万卷书，走万里路”，要“外师造化，中得心源”；读书是向传统学习，走路是向客观世界学习，积累对大自然的感性认识和美的感受；还要在大脑中对它们加工探索、构思表达方式并加以实践，才能把胸（脑）中之景，转化为手中之画，而且画得生动传神，有意境、有创新。纳米世界是造化的一部分，但如不涉猎纳米花园，将难以领会纳米世界的美妙、神奇和大自然本身美的奥秘。

（作者：吴全德，中国科学院院士·北京大学信息学院电子学系教授）