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【科学家|首次，科学家们捕捉到相邻水分子之间的“量子牵引”】
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水是自然界中含量最丰富但了解最少的液体 。 它表现出许多科学家仍然难以解释的奇怪行为 。 虽然大多数液体随着温度的降低而变得密度更大 ， 但水在3.89摄氏度（39 华氏度）时密度最大 ， 刚好高于其冰点 。 这就是为什么冰会漂浮到水杯顶部 ， 而湖泊从表面向下冻结 ， 使海洋生物能够在寒冷的冬天生存 。 水还具有异常高的表面张力 ， 允许昆虫在其表面行走 ， 并且具有很大的热量储存能力 ， 从而保持海洋温度稳定 。
现在 ， 由能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和瑞典斯德哥尔摩大学的研究人员组成的团队 ， 首次直接观察到水分子中的氢原子在被激光激发时如何牵引和推动邻近的水分子 。 他们的研究结果发表在今天的《自然》杂志上 ， 揭示了可能支持水奇怪特性的微观起源的关键方面的影响 ， 并可能导致更好地了解水如何帮助蛋白质在生物体中发挥作用 。
研究合作者、斯德哥尔摩大学化学物理学教授安德斯·尼尔森（Anders Nilsson）说：\"尽管这种所谓的核量子效应被假定为许多水奇怪特性的核心 ， 但这一实验标志着它首次被直接观测到 。 问题是 ， 这种量子效应是否是描述水异常特性的理论模型中缺失的环节 。 ”
每个水分子包含一个氧原子和两个氢原子 ， 一个分子中带正电的氢原子和相邻分子中带负电的氧原子之间形成了一张氢键网 ， 将它们结合在一起 。 这个错综复杂的网络是水的许多无法解释的特性背后的驱动力 ， 但直到最近 ， 研究人员还无法直接观察水分子如何与其邻居相互作用 。
上图：研究人员首次直接观察了被激光激发的液态水分子中的原子运动 。 他们的结果揭示了可能支持水奇怪特性的微观起源的影响 。
“氢原子的低质量增强了它们的量子波状行为 ， ”合作者、SLAC 斯坦福脉冲研究所的科学家凯莉·加夫尼（Kelly Gaffney）说 ， “这项研究是第一个直接证明氢键网络对能量脉冲的响应关键取决于氢原子如何间隔开的量子力学性质 ， 长期以来一直认为这是造成独特属性的原因水及其氢键网络 。 ”
爱你的邻居
到目前为止 ， 进行这一观察一直具有挑战性 ， 因为氢键的运动是如此微小和快速 。 该实验通过使用 SLAC 的 MeV-UED 克服了这个问题 ， 这是一种高速“电子相机” ， 通过从样品上散射强大的电子束来检测细微的分子运动 。
研究小组创造了100纳米厚的液态水射流——大约比人类头发的宽度细1000倍——并用红外激光使水分子振动 。 然后他们用来自MeV-UED的高能电子短脉冲冲击分子 。
上图：对于这些实验 ， 研究团队（从左到右：Xiaozhe Shen、佩德罗·努涅斯、杨杰和王希杰）使用了SLAC 的MeV-UED ， 这是一种高速“电子相机” ， 它使用强大的电子束来检测细微的分子运动 在样品中 。
这生成了分子移动原子结构的高分辨率快照 ， 它们串在一起形成了一个关于水分子网络如何响应光的定格动画 。
聚焦于三个水分子组的快照显示 ， 当一个受激的水分子开始振动时 ， 它的氢原子将氧原子从相邻的水分子中拉得更近 ， 然后以新发现的力量将它们推开 ， 从而扩大了分子之间的空间 。
“长期以来 ， 研究人员一直试图使用光谱技术了解氢键网络 ， ”领导这项研究的前 SLAC 科学家、现为中国清华大学教授的杨杰说 ， “这个实验的美妙之处在于我们第一次能够直接观察这些分子是如何运动的 。 ”
打开了一扇新窗口
研究人员希望利用这种方法更深入地了解氢键的量子性质及其在水的奇异性质中所起的作用 ， 以及这些性质在许多化学和生物过程中所起的关键作用 。
“这确实为研究水打开了一扇新窗口 ， ”SLAC 杰出的科学家和研究合作者王希杰说 ， “现在我们终于可以看到氢键的运动 ， 我们希望将这些运动与更广泛的图景联系起来 ， 这可以阐明水如何导致地球上生命的起源和生存 ， 并为可再生能源方法的发展提供信息.”
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