在地球上，想要制造最纯净的水，需要面临哪些挑战？
首先当然是水中溶解的各种杂质。不过，即使你已经通过反复蒸馏、离子交换等方法除去了杂质，但只要水体仍然与空气接触，空气中的种种物质又会迅速溶解到水体里。那么，我们在真空中收集这些纯化过的水不就行了嘛？但这并不简单，因为无论温度如何，水滴在真空中都会很快地蒸发。可以说，即使在现代实验室里，想要获得最纯净的水仍然是一个艰巨的挑战。
奥地利维也纳工业大学的Ulrike
Diebold设计了这样一种办法：在真空中放置一个“冰手指”，指状金属的尖端被冷却到约－140℃；然后导入超纯的水蒸气，在“指尖”位置冻结形成小而超洁净的冰柱；最后对“手指”升温，让冰柱融化。如此，就得到了世界上最纯的一滴水。
世界上最纯的一块冰和一滴水 图/TU Wien
接下来的问题就是，费劲周折才获得的这一滴水有什么用呢？答案是表面化学。
在自然界中，不仅没有真正纯净的水，也没有真正干净的表面。任何材料与空气接触后，都会在表面形成薄薄的分子层。这种“分子污垢”可以显著改变材料的表面性质，但却非常难以研究。例如，二氧化钛有着神奇的自清洁表面，可用于制造不起雾的镜子。世界各地的研究人员已经发现：当二氧化钛与水接触时，会有一种特别的分子吸附在它的表面。此前，科学家们猜测这些分子可能是一种新型的水冰或者是溶解了二氧化碳的苏打水。
制造最纯水的Diebold团队和他们的设备 图/TU Wien
为了查明真相，研究人员制造出了世界上最纯净的水，并将其滴到二氧化钛的表面。“为了避免杂质，实验必须在真空中开展”，Diebold说道，“我们必须创造出一滴从未与空气接触过的水滴，然后将它滴到二氧化钛经过苛刻的达到原子尺度清洁的表面。”
然而，科学家并没有发现最纯水能在二氧化钛表面形成特别的“分子污垢”，使用加入了二氧化碳的苏打水也是如此，这意味分子层必须来自空气中的其他物质。“当我们在空气中重复相同的实验时，我们看到了相同的表面结构。令人惊讶的是，在大都市维也纳和纽约州乡间的伊萨卡都是如此。”Diebold说道。
扫描隧道显微镜观察到的最纯水下（左）和空气中（右）的二氧化钛表面，空气中的二氧化钛表面在[001]方向上形成了单层羧酸盐。 图/Jan Balajka et al.
通过光谱和扫描隧道显微镜分析，研究人员最终发现这一结构来自乙酸和甲酸——两种简单有机酸，由植物释放的挥发性物质异戊二烯分解而来。虽然其他许多分子在空气中含量更高，但正是这两种在大气中含量不过十亿分之几的酸附着在金属氧化物的表面，通过形成高度有序的单层结构并改变了表面的特性。
Diebold补充道：“那些被认为是微不足道的空气成分，有时候是决定性的。”
这一研究于2018年8月发表在Science上。
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