@ 2016.04.24 , 13:00
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物理学家发现水分子的新物态

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研究者发现绿柱石中的水分子有着奇异的特性。(Jeff Scovil)

下属美国能源部(DOE)的橡树岭国家实验室(ORNL)发现了固液气三态之外水的另一种物态。水分子处在让经典物理失效的极度压缩的环境下,体现出了量子效应。

该团队的研究成果发表于最新一期的《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

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普通情况下的水分子示意图。(CSI)

正常情况下,水分子中氢原子和氧原子之间只隔着约1埃(纳米的十分之一)的距离。物理学家们发现,如果将一个水分子塞入绿柱石(beryl)内部5埃宽,9埃长的六棱柱空隙之中,该水分子会展现出量子隧穿效益,成为离域分子

量子隧穿效应(quantum tunnelling effect,又称量子穿隧效应)是一种量子特性,指微观粒子直接穿过它们不够能量跨越的“山峰”。简单的例子是甲基(-CH3,甲烷分子去掉一个氢原子)。在这个三角锥形状的基团中,氢原子会无视阻力,隧穿至相邻顶点的位置。

对水分子来说,在经典物理学中,只要氢原子不出现能级跃迁,V型的水分子在六边形空隙中呆久了会摆出对应壁面的方向。但我们已经踏入了量子的世界。

此处的氢原子脱离了氧原子,通过隧穿效应,在附近所有可能的方向上同时均匀分布开来。温度越高(从5K到50K),这种现象越明显。

此时情况如下图左所示。绿柱石晶体(除浅蓝以外的颜色)中有个六边形的空间,一个氢原子以旋转的方式同时存在于中心的六个位置(浅蓝),围绕着中央的一个氧原子(未展现)

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水分子新物态示意图。右:氢原子的电荷密度,蓝色最低,黄色最高,体现了一个氢原子同时存在于六个顶点的位置。(A. I. Kolesnikov et al.)

ORNL和英国卢瑟福·阿普尔顿实验室(RAL)的物理学家们分别使用低能级和高能级中子散射法观测到了这种情况。借助先进的散裂中子源(spallation neutron source)这种“超级显微镜”,他们得以用不带电的中子来观察这种亚原子级结构。

研究者表示,这样狭小的空隙常常出现在土壤、某些矿物以及细胞壁之中。他们指出,氢原子在这种情况下的分布形式使得水分子失去了偶极矩

水向来被人们当成一种“万能溶剂”:V型水分子两头的氢原子带正电荷,中央的氧原子带负电荷,使得水分子很容易与其它原子或分子建立化学键。但在这种尚未被命名的新物态中,水分子电荷的平衡已经被打乱,失去了建立这类化学键的能力。所以说,水的这种新物态证明了水并不是一种宇宙通用“万能溶剂”。

本文译自 Motherboard, APS, Phys.org,由译者 zzjeff 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 27+1

  1. 3122164

    就这样拿被玩坏的水水了一帖

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  2. 月夜见
    @1 year ago
    3122172

    依旧满分的水印

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  3. Shallong
    @1 year ago
    3122176

    直接看最后一句结论~

  4. Das386
    @1 year ago
    3122177

    8BIT的小黄鸡

  5. wjking512
    @1 year ago
    3122179

    依据凝点沸点熔点的不同其实所有东西都可以分为四种状态吧,固体液体气体等离子体. 离域分子是不是处在固体之下的一种状态?原谅我化学不好….

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  6. 全自动键盘
    @1 year ago
    3122180

    石中剑家禽版:石中鸡

  7. 3122184

    每一个汉字我都看得懂。

    [32] XX [3] 回复 [0]
  8. 3122185

    认为单质有无限相态的我对别人发现新的相很感兴趣

  9. 双鱼
    @1 year ago
    3122189

    为什么要这样对待生命之源,生气

  10. 小丫小苹果
    @1 year ago
    3122190

    在这个发现以前人类就已经认知了水的七八个相态了吧?

  11. 没错就是我
    @1 year ago
    3122193

    这个很接近我现在正在做的工作,虽然我研究的不是水,但却是含水矿物。 H的量子穿隧效应还真实不处不在

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  12. 东大路
    @1 year ago
    3122198

    完全看不懂

  13. Thewalker
    @1 year ago
    3122204

    看不懂文字没关系,看配图就好了嘛,很明显把水制成第四态用到绿松石、石英和一只超载鸡。

    [27] XX [0] 回复 [0]
  14. 呐喊64
    @1 year ago
    3122227

    每个字都认识系列

  15. 呐喊64
    @1 year ago
    3122229

    @Thewalker: 主要是因为超载鸡才会出现这种状态。

  16. 戈饭
    @1 year ago
    3122237

    橡树岭国家魔法院的水系大魔导们又研究出什么魔法了?

  17. ark12211
    @1 year ago
    3122245

    虽然超载鸡被封印了,但是他的力量依然能影响到谁分子

  18. 煎蛋侠
    @1 year ago
    3122255

    这不禁让我想到英国科学家通过石英毛细管高温处理后的脏水被命名为异态水的事件

  19. 饿死在厨房
    @1 year ago
    3122392

    曾经化学系出身的现在也沦为每个字都认识了

  20. 3122415

    这个是物理,不是化学。

  21. 几用来包
    @1 year ago
    3122442

    图注完全没看懂……哪里有浅蓝色……

  22. 追梦无悔
    @1 year ago
    3122457

    人类对于世界的了解,真是又少又傲慢。

  23. 3122506

    @没错就是我: 看到这个观点,感觉与目前现状有相悖之处。第一,绿柱石通道水有两种正交占位情况,I型水和II型水,这是被目前许多谱学测试验证过的。如果按文中所说,那么事实上只存在一种隧穿型占位?第二,用红外光谱测试绿柱石通道水是很经典的研究手段了,然而红外光谱的基础是分子偶极矩变化,如果水分子失去偶极矩,必将失去红外活性,这又要作何解释…………总之看下来感觉疑惑重重啊。

  24. 凯恩之叔
    @1 year ago
    3122572

    我看施一公的文章,大谈微管里的量子纠缠,波斯纳集群,宏观微观的分界处,真是很微妙,,很模糊

  25. loong520
    @1 year ago
    3122879

    哇哈哈量子水

  26. 3124623

    @Bowen: 你们聊,我就看看

  27. 李狗蛋
    @1 year ago
    3124700

    我家楼下卖高分子水的又有新题材了

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