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人类首次发现水的核量子效应:刷新认知

“水的结构是什么?”这是国际顶级学术期刊《科学》杂志在创刊125周年特刊中提出的125个最具挑战性的科学问题之一。记者从中科院获悉,中国科学院院士、北京大学教授王恩哥和北京大学教授江颖领导的课题组在国际上首次揭示了水的核量子效应,从全新的角度诠释了水的奥秘。相关研究成果15日刊发在《科学》上。

据介绍,水的结构之所以如此复杂,其中一个很重要的原因是源于水分子之间的氢键相互作用。人们通常认为氢键的本质为经典的静电相互作用,然而由于氢原子核质量很小,其量子特性往往不可忽视,因此氢键同时也包含一定的量子成分。氢键的量子成分究竟有多大?这个问题对于理解水或冰的微观结构和反常物性至关重要。但是,氢核的量子化研究无论对于实验还是理论都非常具有挑战性。

为实现对氢核量子特性的精确探测和描述,江颖课题组和王恩哥课题组近年来在相关实验技术和理论方法上分别取得突破,实现了单个水分子内部自由度的成像和水的氢键网络构型的直接识别,并在此基础上探测到氢核的动态转移过程。

最近,他们又研发了一套“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的高分辨振动谱,并由此测得了单个氢键的强度。

科学家们发现,氢键的量子成分可远大于室温下的热能,表明氢核的量子效应足以对水的结构和性质产生显著的影响。进一步深入分析表明,氢核的“非简谐零点运动”会弱化弱氢键,强化强氢键,这个物理图像对于各种氢键体系具有相当的普适性,澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质。

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