“水的結(jié)構(gòu)是什么？”這是國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊１２５周年特刊中提出的１２５個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題之一。記者從中科院獲悉，中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授王恩哥和北京大學(xué)教授江穎領(lǐng)導(dǎo)的課題組在國(guó)際上首次揭示了水的核量子效應(yīng)，從全新的角度詮釋了水的奧秘。相關(guān)研究成果１５日刊發(fā)在《科學(xué)》上。

據(jù)介紹，水的結(jié)構(gòu)之所以如此復(fù)雜，其中一個(gè)很重要的原因是源于水分子之間的氫鍵相互作用。人們通常認(rèn)為氫鍵的本質(zhì)為經(jīng)典的靜電相互作用，然而由于氫原子核質(zhì)量很小，其量子特性往往不可忽視，因此氫鍵同時(shí)也包含一定的量子成分。氫鍵的量子成分究竟有多大？這個(gè)問(wèn)題對(duì)于理解水或冰的微觀結(jié)構(gòu)和反常物性至關(guān)重要。但是，氫核的量子化研究無(wú)論對(duì)于實(shí)驗(yàn)還是理論都非常具有挑戰(zhàn)性。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)氫核量子特性的精確探測(cè)和描述，江穎課題組和王恩哥課題組近年來(lái)在相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論方法上分別取得突破，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)水分子內(nèi)部自由度的成像和水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型的直接識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上探測(cè)到氫核的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程。

最近，他們又研發(fā)了一套“針尖增強(qiáng)的非彈性電子隧穿譜”技術(shù)，在國(guó)際上首次獲得了單個(gè)水分子的高分辨振動(dòng)譜，并由此測(cè)得了單個(gè)氫鍵的強(qiáng)度。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，氫鍵的量子成分可遠(yuǎn)大于室溫下的熱能，表明氫核的量子效應(yīng)足以對(duì)水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響。進(jìn)一步深入分析表明，氫核的“非簡(jiǎn)諧零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)”會(huì)弱化弱氫鍵，強(qiáng)化強(qiáng)氫鍵，這個(gè)物理圖像對(duì)于各種氫鍵體系具有相當(dāng)?shù)钠者m性，澄清了學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期爭(zhēng)論的氫鍵的量子本質(zhì)。

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