量子力学为您揭秘你的头发正在与空气中的水交换氢

　　组成我们身体的大部分原子都是通过食物和饮水或者是通过呼吸进入我们的体内，并成为我们身体的一部分的。在通常的理解下，它们都是通过化学反应，被我们的身体加以利用。但有一种原子例外，这就是——氢，氢除了可以通过化学交换进入我们的体内之外，还可以通过量子效应成为我们身体的一部分。
　　图一、显微镜下的头发一、水中氢的量子效应
　　在化学元素中期表中，氢是1号元素，氢的同位素中，氕的含量最高，其质量仅仅是电子质量的1836倍，水中的氢常常表现出量子行为，所以仍然用经典模型去处理就会不准确，必须要考虑氢的量子性。由于氢是水的主要组成元素，因此氢元素的量子行为在处理水相互作用时常常会表现出来。
　　图二、路径积分分子动力学模拟中的一个体态水位形
　　根据化学平衡理论，纯水的酸碱性是中性的，即水中氢离子与氢氧根离子的浓度同为10^7mol/L。在水中，氢离子以水合氢离子的形式存在。不过，氢离子并不是固定在一个水分子上，而是沿着氢键的方向以一定的速率在水中传输。
　　图三、300K下水中H传输时的分布情况
　　由于氢离子的质量很小，在不同的水分子之间转移的时候，会表现出强烈的量子效应。氢离子在不同水分子之间的转移过程虽然是一个热力学过程，但氢的量子效应的影响非常大。如果我们用经典模型去计算，氢离子在转移过程中的转移势垒是24meV，这个数值要远小于氢的零点振动能。如果我们考虑氢的量子效应则没有势垒。
　　图四、水中氢离子和氢氧根离子的传输路径
　　另一个问题是，氢离子被共享的范围变大，氢离子的回转半径要比用经典理论得到的0.9埃增加至1.3埃，这使得氢离子更加非局域化。
　　水中游离的氢氧根离子与氢离子的行为类似，但也有不同。在氢氧根离子的周围有4个相邻的水分子，与前面说的氢离子与水分子形成临时的水合氢离子不同，氢氧根离子在传输时形成的是H2O2结构。由于氢的量子效应，氢氧根离子的转移势垒从经典模型中的55meV降至15meV。
　　图五、氢氧根传输时氢的分布情形
　　由于量子效应，在H2O2结构中存在双势阱，所以单分子的水合氢离子H3O2只能是临时结合，是一种不稳定的过渡状态。这与二聚体水合氢离子H5O2+中形成较稳定的氢离子被共享的量子状态不同，所以不能简单地把氢氧根离子传输过程看做是氢离子的空位传输。
　　图六、不同金属表面上氢氧根间距和氧原子间距的分布几率
　　如果以上内容您觉得读起来有些困难，可以点开我前几天写的另外一篇文章《在分子尺度上理解水，这些智商税，就不用交了》作为阅读本文的铺垫。
　　即使您完全没有看懂我在说什么，这也不要紧，只需要记住这样一个结论——水中的水分子可以通过氢键连接成多个水分子的结构，并且氢离子会在这些拉起手来的水分子之间沿着氢键的方向移动。只要记住这个结论，我们就比较容易理解下面这个过程。
　　图七、氢核的量子效应对氢键的影响二、毛发与环境之间的氢交换
　　在我们赖以维持呼吸的空气中有着＂大量＂的水分子，即使是在沙漠那样的干燥环境中，水分子也会占到千分之一的比例，而在梅雨季节，空气中水分子的比例会达到百分之四。
　　这些水分子会随着风撞击到我们的身体上，也会随着呼吸进入我们的体内，其中的一些会进入肺泡，并与氧一起穿过毛细血管壁进入到血液中。我们体表的眼泪和细细的汗珠会把一部分水分子拉到我们的身体上，同时一些水分子也会进入到我们身体毛发的缝隙中。
　　图八、显微镜下的发根
　　这些来自空气中，吸附在我们身体上的水分子会与构成我们身体组织中的氢键（注意：氢键并不是水分子独有的，而是氢与碳、氮、氧、硫等都可以形成强弱不同的氢键）构成新的氢键连接。这些外来的水分子中的氢可以与我们体内的氢沿着氢键发生交换。
　　这些水中的氢原子，不断地发生着交换氢原子的游戏，这意味着，我们不仅与周围的空气中的水在发生氢原子交换，同时也在与同处一室的小伙伴之间发生着氢原子的交换。
　　图九、显微镜下的头发
　　这种交换的速度有多快？只要几个小时，就可以有大约10%的头发中的氢原子，被周围空气中水分子中的氢原子所替换。只要在某处驻留不超过4天，我们头发中的氢原子就可以与空气中水分子中的氢达到动态平衡。
　　当然了，组成我们身体的大多数的蛋白质和其它分子中结构性的氢原子，其主要来源还是食物和饮料。
　　图十、显微镜下的头发三、科学家是如何知道毛发可以与环境中的水分子交换氢的呢？
　　这要得益于氢的同位素。如今我们都知道，氢有多种同位素，其中大家最熟悉的有三种：氕、氘、氚。氕（1H）通常称为氢，它是氢的主要稳定同位素，其天然丰度为99.985%。氘 ：氢的同位素，其原子量为氕的二倍，少量的存在于天然水中，用于核反应，并在化学和生物学的研究工作中作示踪原子。
　　氢的同位素之间的化学性质完全相同，所以在环境中置入含有氘元素的水分子或者是饮用含有氘的水，不会对人体产生任何伤害。
　　通过检测正常人，在不同时间段，停留在含有由氘元素组成的水分子的空气中，头发内的氘元素的含量，就可以了解头发与环境之间的氢交换速度了。
　　图十一、氢的常见三种同位素结束语——氢的世界很精彩
　　本文用量子力学理论为您揭秘了在原子级视角下，神奇的氢的行为，以及这种行为导致的人体与环境之间的原子级交换过程。虽然量子理论已经让我们对水的了解深入到了分子、原子、电子这个级别，但是至今仍然有许多关于水的神奇现象，仍然是科学家们没有掌握的，期待着小伙伴们去发现——看好你呦！