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科学家首次捕捉水分子间的 “量子拉扯”

实验设施。

水是自然界中最丰富却又最神秘的液体,它有着许多难以解释的古怪行为,比如:表面张力高,昆虫可行走其上;储热性强,海洋温度因此保持稳定。当地时间8月25日,美国能源部SLAC实验室、斯坦福大学和瑞典斯德哥尔摩大学的研究人员在《自然》杂志发文称,他们首次直接观察到了被激光激发时,水分子中氢原子对邻近水分子的“拉扯”作用。该发现或可揭示水神秘特性的微观起源,并帮助科学家更好地理解水怎样帮助蛋白质在生物体中发挥作用。

斯德哥尔摩大学化学物理学教授Anders Nilsson说:“核量子效应被认为是水奇特性质的核心。在这次实验中,我们首次对其进行了直接观察。问题在于,核量子效应是否确为描述水异常行为的理论模型中的缺失一环?”

每个水分子包含一个氧原子和两个氢原子。分子中带正电的氢原子和相邻分子中带负电的氧原子之间架设着氢键网络,将水分子联系在一起。复杂的氢键网络造就了水的奇特性质SLAC科学家Kelly Gaffney说:“氢原子的低质量强化了它们的量子波行为。这项研究首次直接证实:氢键网络对脉冲能量的响应,主要由氢原子的量子力学性质决定。”

由于氢键的运动非常微弱且迅速,对其进行直接观察一直是个大难题。这次,研究人员终于借助SLAC的“高速电子摄像机”MeV-UED将难题攻克。研究人员制造了100纳米厚的液态水射流,并用红外激光使水分子产生振动。随后,他们用MeV-UED产生的高能电子短脉冲轰击这些水分子,获取了高分辨率的分子原子结构变化快照。快照串联在一起形成了定格动画影片,展示了水分子网络对激光的反应。观测结果显示,当一个激发态的水分子开始振动时,它的氢原子会拉近邻近水分子中的氧原子,随后凭借另一种力将其推开,以扩大分子间的间隙。

SLAC研究人员Xijie Wang说:“新发现为水的研究开辟了新天地……我们希望将其与更广阔的图景建立联系,解释水在地球生命的起源、存续中所起的作用,并为可再生能源技术的发展提供参考。”

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编译:德克斯特 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《自然》

期刊编号:0028-0836

原文链接:https://phys.org/news/2021-08-scientists-capture-quantum-neighboring-molecules.html

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