藉助鐳射，研究人員直接觀察到了水分子間氫鍵的動力學。來源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
水是自然界含量最大的液體，但人類並不完全瞭解水。直至今日，水展現出的許多奇怪特性仍令科學家們困惑不已。儘管大多數液體的密度都隨著溫度降低而升高，水卻在4度達到最大密度，高於凝固點液態水的密度。正因此，冬季湖面從表面開始結冰，之後才向下逐步凍結的，這使海洋生物能在寒冬中生存的原因。水還具有極高的表面張力，使昆蟲能夠在水面行走。
如今，美國能源部國家加速器實驗室（SLAC）的研究者領導的團隊首次觀察到了水分子中的氫原子在鐳射下吸引或排斥鄰近水分子的行為。他們在《自然》上報告了這一發現，揭示了水怪異特性的可能起源，也將幫助瞭解水在生物體中幫助蛋白質發揮作用的過程。“儘管早有猜想認為這種稱作核量子效應的作用是水的許多怪異性質的核心，但這還是首次直接觀測到它。”研究合作者之一、瑞典斯德哥爾摩大學的化學物理教授Anders Nilsson說，“問題是這種量子效應是能否填補水異常特性的理論模型中缺失的一環。”
水分子的鄰里關係
每個水分子都包含一個氧原子和兩個氫原子。一個水分子中帶正電的氫原子與相鄰水分子中帶負電的氧原子間存在氫鍵，無數氫鍵形成了一張氫鍵網，將所有水分子結合在一起。這樣錯綜複雜的網路是水的許多難以解釋的特性背後的驅動力。但直到最近，研究者們仍然無法對水分子與鄰近分子間的相互作用進行直接觀察。“氫原子較小的質量使其波狀的量子特性更為顯著，”研究合作者、SLAC斯坦福脈衝研究所的科學家Kelly Gaffney說，“這項研究首次直接證明了氫鍵網路對能量脈衝的相應很大程度上取決於氫原子間距方式的量子力學性質。量子屬性一直以來被認為是導致水和類似物質獨特性質的原因。”
來源：pixabay
由於氫鍵的運動微小而快速，對這一現象的觀察直今都很有挑戰性。該實驗使用SLAC的MeV-UED克服了這個問題。MeV-UED是一種高速“電子相機”，透過從樣品上散射高能電子束，來檢測細微的分子運動。研究團隊製造了100奈米的液態水射流，比人的頭髮細1000倍，其中的水分子在紅外鐳射的驅動下振動。接著研究者使用來自MeV-UED的高能電子短脈衝衝擊水分子。由此生成了一系列分子中原子移動的高解析度快照，它們串在一起形成了定格動畫，顯示出水分子網路對光的響應過程。聚焦在三個水分子上的快照顯示，在一個水分子受激開始振動時，它的氫原子會將相鄰水分子中的氧原子拉近，之後一種新發現的作用會將它們推開，使分子間的距離擴大。
水為物理學打開了一扇窗
“長期以來，研究人員都在試圖使用光譜技術瞭解氫鍵網路，”領導這項研究的前SLAC科學家、現清華大學長聘副教授楊傑說，“這個實驗的美妙之處在於，讓我們第一次直接觀察到了這些分子的運動方式。”
研究者希望利用這種技術更深入地瞭解氫鍵的量子性質，以及量子性質在水的奇異特性中起到的所用。
來源：pixabay
“這確實為水的相關研究打開了一扇新的視窗，”SLAC的傑出科學家和研究合作者Xijie Wang說，“我們終於可以看到氫鍵的運動了。我們希望將氫鍵的運動與更廣泛的物理圖景聯絡起來，闡明水促使地球生命起源和生存的過程，並未可再生能源技術的發展提供資訊。”
翻譯：武大可
引進來源：DOE/SLAC
本文來自：中國數字科技館
