科學家首次揭示水的全量子效應

　　左圖為利用掃描隧道顯微鏡測量水的量子效應的示意圖。右圖為單個水分子的非彈性電子隧穿譜，從中可分辨水分子的拉伸、彎曲和轉動等振動模式，這些振動可以作為靈敏的探針來探測氫核的量子運動對氫鍵的影響。圖片設計：梁明誠

　　本報訊（記者丁佳）記者日前從中國科學院獲悉，由中科院院士、北京大學教授王恩哥和北京大學教授江穎領導的課題組在國際上首次揭示了水的全量子效應，從全新的角度詮釋了水的奧秘。相關研究成果4月15日刊發在《科學》雜志上。

　　為實現對氫核量子特性的精確探測和描述，江穎課題組和王恩哥課題組近年來在相關實驗技術和理論方法上分別取得突破。他們成功發展了對于氫核敏感的超高分辨掃描探針顯微術，開發了基于第一性原理的路徑積分分子動力學方法（全量子化計算），實現了單個水分子內部自由度的成像和水的氫鍵網絡構型的直接識別，并在此基礎上探測到氫核的動態轉移過程。

　　最近，他們又基于掃描隧道顯微鏡研發了一套“針尖增強的非彈性電子隧穿譜”技術，突破了傳統非彈性電子隧穿譜技術在信噪比和分辨率方面的限制，在國際上首次獲得了單個水分子的高分辨振動譜，并由此測得了單個氫鍵的強度。

　　通過可控的同位素替換實驗，并結合全量子化計算模擬，研究人員發現氫鍵的量子成分可遠大于室溫下的熱能，表明氫核的量子效應不只是對經典相互作用的簡單修正，其足以對水的結構和性質產生顯著的影響。進一步分析表明，氫核的非簡諧零點運動會弱化弱氫鍵，強化強氫鍵，這個物理圖像對于各種氫鍵體系具有相當的普適性，澄清了學術界長期爭論的氫鍵的量子本質。

　　《科學》雜志審稿人盛贊該工作是“實驗的杰作”“一定會引起譜學界的廣泛興趣”“為研究氫核量子效應提供了一個絕佳的平臺”。江穎和王恩哥分別負責該工作的實驗和理論部分。

　　據了解，“水的結構是什么”是《科學》雜志在創刊125周年的特刊中提出的125個最具挑戰性的科學問題之一。水的結構之所以如此復雜，其中一個很重要的原因就是源于水分子之間的氫鍵相互作用。人們通常認為氫鍵的本質為經典的靜電相互作用，然而由于氫原子核質量很小，其量子特性（量子隧穿和量子漲落）往往不可忽視，因此氫鍵同時也包含一定的量子成分。氫核的量子效應對氫鍵相互作用到底有多大影響？或者說氫鍵的量子成分究竟有多大？這個問題對于理解水/冰的微觀結構和反常物性至關重要。但是，氫核的量子化研究無論對于實驗還是理論都非常具有挑戰性。 

丁佳