@ 2021.09.01 , 15:18

飞秒物理:弄清氢键的量子力学性质

虽然物理学家知道氢键在水的许多奇怪现象中起着关键作用,但关于氢键机制的某些细节仍相当含糊。

一支国际研究团队采用全新的方法对水分子中的原子进行成像,以飞秒级的精度捕捉它们的动态,揭示氢和氧是如何在水分子中推搡作用的。

这些知识无法帮助我们烹茶煮咖啡,但充实了氢键的量子模型,完善了理论认识。

美国能源部SLAC国家加速器实验室的物理学家王希杰(音)说:"这确实为水研究打开了一扇新窗口。现在我们终于可以直观看到氢键的运动。把这些运动与更广泛的现象联系起来,可以阐明水如何导致地球上生命的起源,并为可再生能源的发展提供灵感。"

在孤立情况下,单个水分子是两个氢原子和一个氧之间的电子的三方监护战。

氧原子得到了电子更多的爱。这使得每个氢原子都有比正常多一点的无电子时间。这些小原子并不完全是带正电的,但它确实使一个V形的分子有微妙的带正电的叉头和负电的底。

用足够的能量把这样的分子搅拌在一起,电荷的微小变化会把相同的电荷推开,吸引不相同的电荷。

虽然这听起来可能很简单,但这一过程背后的机制并不简单。电子在各种量子定律的影响下不断放大,这意味着我们靠得越近,对某些属性就越不确定。

此前,物理学家曾依靠超快光谱学来了解电子在水的混乱拉锯战中的移动方式,捕捉光子并分析其特征以绘制电子位置图。

不幸的是,这遗漏了风景的一个关键部分——原子本身。它们远不是被动的旁观者,它们也会随着它们周围的量子力的变化而弯曲和摆动。

SLAC物理学家Kelly Gaffney说:"氢原子的低质量凸显了它们的量子波状行为。为了深入了解原子的排列,研究小组使用了一种叫做兆电子伏特超快电子衍射仪(MeV-UED0。这台位于SLAC国家加速器实验室的设备用电子照射水,当电子从分子中跳出时,它携带着关于原子排列的关键信息。

飞秒物理:弄清氢键的量子力学性质
(Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室)

动画显示了一个水分子在被激光照射后的反应。当被激发的水分子开始振动时,它的氢原子(白色)将邻近的水分子中的氧原子(红色)拉近,然后将它们推开,扩大分子之间的空间。

有了足够的快照,就有可能建立一个高分辨率的氢震荡图像,揭示了氢如何从邻近的分子中拖动氧向它们靠近,然后再猛地把它们推回去。

"这项研究首次直接证明,氢键网络对能量脉冲的反应关键取决于氢原子如何间隔的量子力学性质,长期以来人们一直认为这是水及其氢键网络的独特属性的原因。”

现在这个工具已被证明在原则上是有效的,研究人员可以用它来研究水分子在压力上升和温度下降时的湍流华尔兹,观察它如何对构建生命的有机溶质作出反应,或在奇异条件下形成惊人的新相。

暴风雨看起来从未如此优雅。

这项研究发表在《自然》上。

https://www.sciencealert.com/physicists-have-observed-for-the-first-time-a-quantum-property-that-makes-water-weird


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