一滴水大约为0.05毫升，约10万亿亿个水分子。半滴水0.025毫升，5万亿亿个水分子。那么，半滴水还算一个水滴吗？如果半滴水算，那半滴水的半滴呢？如此细分下去，终点将是一个水分子。那么，一个水分子能算是一滴水吗？如果不算，那最少要多少个水分子才可称为一滴水？

　　2020年12月，发表在英国皇家化学会旗舰期刊《化学科学》上的一项研究，报告了答案：米兰理工大学的科学家发现，21个水分子组成的分子团，与宏观的一滴水的光谱基本吻合。也就是说，最少需要21个水分子才可以组成一滴水。

　　水分子到水滴

　　我们的世界充斥着从“量变到质变”涌现出的特性：

　　有序排列的碳原子个数逐渐增加，最终变为晶莹剔透的钻石，其超高的硬度并非碳原子自身的特性，而是大量碳原子的集体行为。一粒面粉不软也不硬，但许多面粉就可以被做成煎饼、面包、面条、馒头等，这些食物的特性并非由一粒面粉决定，而是大量面粉的集体行为。

　　与此类似，水具有优秀的溶解能力、极高的比热容、适宜的黏度，这些都不是单个水分子带来的特性，而是众多水分子聚集而成的“一滴水”才具有的性质。那么，最少需要多少个水分子才能被视为一滴水呢？

　　不妨从一个水分子的视角，来思考这个问题：假设在一滴水中随机挑选一个水分子称作“W”。尽管0.05毫升的一滴水中大约有10万亿亿个水分子，但真正围绕在“W”周围的水分子并不多。

　　我们偷偷把“W”转移出来，让它孤零零。然后，在其周围不断增加水分子，直到“W”觉得，周围的水分子似乎跟之前一样多了。此时“W”相信，自己处在一滴水中。于是“W”和增加的水分子这个整体，就可以被定义为最小的一滴水。这一过程被称为“W”的溶剂化。

　　光谱让水分子说话

　　幸运的是，水分子每时每刻都处于不断运动当中，这被称为分子振动。每一种分子振动的能量不同。我们可以用光谱学方法，来侦测各类振动的频率，就如同耳朵听不同频率的声音一样。

　　水分子的振动光谱与其周围的其他水分子密切相关。于是，可以利用光谱学这一工具来观察，随着周围水分子个数增加，“W”的分子振动如何变化。当“W”的分子光谱与宏观上水滴的光谱一致时，也就找到了最小的这滴水。

　　不过迄今还没有掌握在一个水分子周围精确增加水分子的技术，而且一个水分子的分子光谱信号太弱，根本没有办法侦测到。但是通过计算机建立模型，就可以模拟得到在“W”周围添加水分子时，它的光谱如何变化。

　　“W”的分子振动是动态过程，需要使用分子动力学方法来实现。另一方面，因为水分子之间是氢键相互作用，又不得不同时考虑量子力学效应。因此，化学家将两种方法结合，来计算“W”的光谱信息。

　　寻找最小的水滴

　　米兰理工大学的化学家在对比光谱学计算与实验测得的光谱后发现，当“W”周围有4个水分子（即5个分子组成的团）时，它的外围已经包裹了一层完整的水分子层，分子光谱也与一滴水的光谱比较接近，但还有一些偏差。

　　他们进一步增加“W”外围水分子的个数，发现当有20个水分子，即形成21个水分子的分子团时，计算得到的“W”分子光谱与实验值吻合得很好。这说明“W”此时已经认为自己真的在一滴水中了。于是成功找到了最小的这滴水，它由21个水分子组成。

　　因为水是生命体系最重要的溶剂，也是很多化学和物理变化的介质，我们找到水分子到宏观水滴的这个界限，或许可以帮助更好地认知和模拟生命体，理解更多的化学物理过程。