水有颜色，会发光吗？颠覆水无色无味液体的传统认知

水的结构是2005年Science杂志社在其庆祝创刊125周年之际提出的全球最前沿的125个最具挑战性的科学问题之一，而且普遍认为生命的起源与水分子密切相关。在传统的认知里，常温下自由的水分子是无色的液体，但是1930和1958年Nature杂志报道的两篇文章提出了吸附水或者界面水作为生色团发光的可能性(Water as an Activator of Luminescence, Nature, 1930, 125, 706;Fluorescence of Adsorbed Water, Nature, 1958, 182, 520)，但是并没有提供任何的实验证据和机制讨论，反而引起了一个世纪的争论：水是有颜色的吗?会发光吗?颜色和发光产生的原因或者物理机制是什么?

另外， 最近曼彻斯特大学Geim教授领导课题组的最新研究结果表明，当水分子被限域在亚纳米空间时，其介电常数从80降到0，表明水分子变成了非极性分子 (Anomalously low dielectric constant of confined water, Science 2018, 360, 1339; Exploring Two-Dimensional Empty Space, Nano Lett. 2021, 21, 6356.)。只有一种可能解释水介电常数的反常降低，即两个水分子的两个O原子和两个H原子之间存在空间的轨道叠合，但是实验过程中并没有检测到O2或者H2分子产生，这暗示了在亚纳米限域空间内水分子的O核和H核之间存在多体核量子效应，为电子的超快转移提供了传递通道，但是传统的物理化学表征手段无法捕捉这些超快的动力学行为。

华东师范大学张坤研究员领导的课题组利用溶剂诱导自组装和化学官能化后修饰的合成策略，模拟GFP蛋白的口袋结构，仿生构筑了软、硬两种纳米空腔结构，并且通过一系列验证性实验，证明结构水分子限域在纳米空腔内可以发射不同颜色、寿命和量子产率的荧光。基于当前的实验结果，传统绿色荧光蛋白(GFP) 的分子发光机制讨论可能并不完全正确，作者认为是限域于酶纳米口袋内的结构水为GFP的真正发光中心，而不是传统认为的羟基苯咪唑啉酮有机生色团分子。GFP的工作非常重要，2008年下村修、钱永健和查尔斯马丁因为GFP发光机制以及生物应用的研究获得了诺贝尔化学奖.

该研究工作提供了明确的实验证据，水在限域的纳米界面或者纳米空间内以结构水的形式可以作为生色团发出明亮的荧光，其激发态的产生是由于两个氧原子p轨道在空间中的线性叠加引起的(P band intermediate state (PBIS) tailors photoluminescence emission at confined nanoscale interface. Communications Chemistry 2019, 2, 132)， 具有量子拓扑激发的特征(Caged structural water molecules emit tunable brighter colors by topological excitation. Nanoscale 2021, 13, 15058)，质子转移的速率决定了荧光的发射效率。同时结构水空间p轨道的重叠也回答了限域纳米空间内水的介电常数显著降低的物理起源。考虑到结构水在限域纳米空间或者限域界面存在的普适性，这也揭示了其它低维量子点发光的原因，如贵金属团簇、碳量子点、钙钛矿量子点等。