科学家们捕捉到了相邻水分子之间的“量子引力”:它可能会解开水的奇怪属性的之谜。
水还具有异常高的表面张力，这使得昆虫能够在其表面行走，并且还具有巨大的储热能力，这使海洋保持稳定的温度。
现在，来自美国能源部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一组研究人员首次直接观察到水分子中的氢原子在受到激光激发时如何推拉邻近的水分子。他们的发现于当地时间8月25日发表在《自然》杂志上。这项研究揭示了可能支持水的奇怪属性的微观起源的关键方面的影响，并可能让人们更好地理解水如何帮助蛋白质在生物体中发挥作用。
“虽然这种所谓的核量子效应被假设为水的许多奇怪属性的核心，但这个实验标志着它首次被直接观测到，”这项研究的合著者、斯德哥尔摩大学化学物理学教授安德斯·尼尔森(Anders Nilsson)说。“问题是，这种量子效应是否可能是描述水异常性质的理论模型中缺失的一环。”
每个水分子包含一个氧原子和两个氢原子，一个分子中带正电荷的氢原子和相邻分子中带负电荷的氧原子之间的氢键网络将它们连接在一起。这种复杂的网络是水的许多令人困惑的特征背后的驱动力，但直到最近，研究人员还不能直接观察水分子如何与它们的邻居相互作用。
“氢原子的低质量突出了它们的量子波行为，”SLAC斯坦福脉冲研究所的合作伙伴兼科学家凯利·加夫尼说。“这项研究首次直接证明了氢键网络对能量脉冲的响应取决于氢原子间距的量子力学性质。长期以来，它被认为是水及其氢键网络独特性质的原因。”
到目前为止，进行这样的观察一直是一个挑战，因为氢键的运动是如此的微小和快速。然而，这个实验现在使用SLAC的MeV-UED来克服这个问题。MeV-UED是一种高速“电子相机”，通过向样品散射强大的电子束来检测分子的细微运动。
研究小组制造了一种厚度为100纳米的液态水射流——大约是人类头发宽度的1000倍——并使用红外激光使水分子振动。然后，他们用MeV-UED产生的高能电子短脉冲轰击这些分子。
这产生了分子和原子结构变化的高分辨率快照，这些分子和原子串在一起形成了一个定格动画电影，显示了水分子网络对光的反应。
这些快照聚焦于一组三个水分子，揭示了当一个受激水分子开始振动时，氢原子将相邻水分子中的氧原子拉得更近，然后用新发现的力量将它们推开，以扩大分子之间的空间。
“长期以来，研究人员一直试图利用光谱学来了解氢键网络，”前SLAC科学家、现为清华大学教授的杨洁说。“这个实验的美妙之处在于，我们第一次可以直接观察到这些分子是如何运动的。”
研究人员希望利用这种方法深入了解氢键的量子性质及其在水的奇怪性质中的作用，以及这些性质在许多化学和生物过程中发挥的关键作用。
“这真的为水的研究打开了一扇新的窗户，”SLAC科学家和论文研究合作者王夕杰说。“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阔的图景联系起来，这可能会澄清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。”