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我国科学家揭示水的全量子效应

我国科学家揭示水的全量子效应

  2005年,著名学术期刊《科学》杂志在创刊125周年的特刊中,将“水的结构”列为21世纪最具挑战性的125个科学问题之一。2016年4月15日,《科学》杂志介绍了来自中国科学家的研究成果:中国科学院院士、北京大学教授王恩哥和北京大学江颖课题组首次揭示了水的全量子效应,为解开水的结构之谜迈出了重要一步。

  对多数人来说,水就是流动的液体。但在微观层面上,水的结构一直是个谜。王恩哥解释:“水分子之间是通过氢键连接而形成的一个复杂网络状结构。氢键不同于一般的化学键,它结构条件比较灵活,在常温下就容易引起反应和变化,并具有动态可逆的特点,对外部环境的刺激有着独特的响应特性,这使得水的结构处于不断的动态变化之中。到目前为止,还没有任何研究能准确地描述一个水分子周围到底有几个水分子与之形成氢键。”

  氢键,被认为是揭示水的结构的关键一环。“一般认为氢键主要是源于经典的静电相互作用。”但王恩哥觉得,氢键之间可能还存在量子效应,“氢原子核质量很小,与其他元素相比,在处理的过程上除要对电子波函数化外,对核也要考虑波函数化,这就是所谓的‘全量子化’。全量子效应对于理解氢键的本质,最终回答水的结构问题起着非常关键的作用。”

  然而,幸运28要在实验中精确测量氢键的量子效应极为困难。江颖说:“氢键的量子效应是否存在?到底有多大?学术界一直处于激烈争论之中。”

  为了找到问题的答案,江颖课题组和王恩哥课题组近年来一直在进行相关研究,并在实验技术和理论方法上分别取得突破。这一次,他们基于扫描隧道显微镜研发了一套“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术,在国际上首次获得了单个水分子幸运28的高分辨振动谱,并由此测得了单个氢键的强度。江颖说:“我们的实验首次为这个问题提供了统一的物理图像,揭示了氢键的全量子本质,澄清了学术界的长期争论。”

  然而要彻底解答“水的结构”问题,这还不够。江颖说:“除了全量子效应,氢键的协同效应也是一个非常重要的特性。全量子效应和协同效应的结合是现在氢键研究的一个全新的热点方向,有可能为理解水的结构和很多反常的物性提供答案。我们正在为之而努力。”

  (原载于《光明日报》 2016-04-17 01版)