水的核量子效應首次揭示
- 發佈時間：2016-04-16 01:30:33 來源：科技日報 責任編輯：羅伯特
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科技日報北京4月15日電 （記者李大慶）近期，中科院院士、北京大學教授王恩哥和北京大學教授江穎領導的課題組在國際上首次揭示了水的核量子效應，從全新的角度詮釋了水的奧秘。相關研究成果于15日刊發在國際學術期刊《科學》上。
“水的結構是什麼？”這是《科學》雜誌在創刊125週年時提出的125個最具挑戰性的科學問題之一。水的結構之所以如此複雜，一個重要原因是源於水分子之間的氫鍵相互作用。由於氫原子核品質很小，其量子特性不可忽視，因此氫鍵同時也包含一定的量子成分。氫核的量子效應對氫鍵相互作用有多大影響？或者説氫鍵的量子成分究竟有多大？這個問題對理解水/冰的微觀結構和反常物性至關重要。
江穎課題組和王恩哥課題組基於掃描隧道顯微鏡研發了一套針尖增強的非彈性電子隧穿譜技術，在國際上首次獲得了單個水分子的高分辨振動譜，並由此測得單個氫鍵的強度。通過可控的同位素替換實驗，並結合全量子化計算模擬，他們發現氫鍵的量子成分可遠大於室溫下的熱能，表明氫核的量子效應不只是對經典相互作用的簡單修正，其足以對水的結構和性質産生顯著的影響。進一步深入分析表明，氫核的非簡諧零點運動會弱化弱氫鍵，強化強氫鍵，這個物理圖像對於各種氫鍵體系具有相當的普適性，澄清了學術界長期爭論的氫鍵的量子本質。
