科学家捕捉到相邻水分子之间的“量子拉扯”：或能解开水奇特性质之谜

水还具有异常高的表面张力进而使昆虫能在其表面行走，另外还具有巨大的存储热量的能力从而使得海洋保持稳定的温度。

现在，一个由来自美能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和瑞典斯德哥尔摩大学的研究人员组成的团队首次直接观察到，当水分子被激光激发时水分子中的氢原子是如何拉动和推动邻近的水分子的。他们的研究结果发表已于当地时间8月25日发表在《自然》上。这项研究揭示了可能支持水的奇怪属性的微观起源的关键方面的影响，并可能让人们更好地理解水是如何帮助蛋白质在生物体内发挥作用的。

“尽管这种所谓的核量子效应被假设为许多水的奇怪性质的核心，但这个实验标志着它首次被直接观察到，”这项研究的论文合作者、斯德哥尔摩大学化学物理学教授Anders Nilsson说道，“问题是，这种量子效应是否可能是描述水异常特性的理论模型中缺失的一环。”

每个水分子包含一个氧原子和两个氢原子，一个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的氢键网将它们连接在一起。这种复杂的网络是水的许多令人费解的特性背后的驱动力，但直到最近，研究人员还无法直接观察水分子是如何跟它的邻居相互作用的画面。

“氢原子的低质量突出了它们的量子波行为，”合作伙伴、SLAC斯坦福脉冲研究所科学家Kelly Gaffney表示，“这项研究首次直接证明，氢键网络对能量脉冲的响应关键取决于氢原子间距的量子力学性质。长期以来，它被认为是水及其氢键网络的独特属性的原因。”

到目前为止，由于氢键的运动是如此得微小和快速，要进行这样的观察一直以来都是一个挑战。然而现在这个实验使用SLAC的MeV-UED克服了这个问题，MeV-UED是一种高速的“电子摄像机”，它通过向样品散射强大的电子束来探测分子的细微运动。

该研究小组创造了100纳米厚的液态水射流--约是人类头发宽度的1000倍--并用红外激光使水分子振动。然后，他们使用MeV-UED产生的高能电子短脉冲轰击这些分子。

这产生了高分辨率的分子原子结构变化的快照，它们串在一起以形成一个定格动画电影，这展示了水分子网络如何对光作出反应。

这些快照聚焦于三个水分子组成的一组，其揭示了当一个激发态的水分子开始振动时氢原子将邻近水分子中的氧原子拉得更近，然后使用新发现的强度将它们推开以扩大分子之间的空间。

“很长一段时间以来，研究人员一直试图利用光谱学技术来了解氢键网络，”前SLAC科学家、现任中国清华大学教授的Jie Yang说道，“这个实验的美妙之处在于，我们第一次能够直接观察这些分子是如何运动的。”

研究人员希望利用这种方法来深入了解氢键的量子性质以及它们在水的奇异性质中所起的作用、这些性质在许多化学和生物过程中所起的关键作用。

“这真的为研究水打开了一扇新的窗户，”SLAC科学家和论文研究合作者Xijie Wang指出，“现在我们终于可以看到氢键的运动，我们想把这些运动跟更广阔的图景联系起来，这可能会阐明水是如何导致地球上生命的起源和生存的并为可再生能源方法的发展提供信息。”