水分子間“量子拖拽”直接觀測到了

研究人員首次直接觀察到處于激發(fā)態(tài)的液態(tài)水分子中的原子運(yùn)動。圖片來源：美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室

　　由美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)和瑞典斯德哥爾摩大學(xué)科學(xué)家組成的科研團(tuán)隊(duì)首次直接觀察到了臨近水分子之間的“量子拖拽”，這一新研究揭示了水奇異性質(zhì)的微觀起源，并有助于科學(xué)家更好地理解水如何幫助蛋白質(zhì)在生物體中發(fā)揮作用。研究發(fā)表于最新一期《自然》雜志。

　　每個水分子包含一個氧原子和兩個氫原子，一個水分子中帶正電的氫原子和相鄰水分子中帶負(fù)電的氧原子之間的氫鍵網(wǎng)將它們連接在一起，這一復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是水擁有很多令人費(fèi)解特性的“幕后功臣”，但研究人員此前一直無法直接觀察水分子與“鄰居”如何相互作用。

　　領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的前SLAC科學(xué)家、現(xiàn)清華大學(xué)長聘副教授楊杰在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)解釋稱，因?yàn)闅滏I的運(yùn)動幅度小、速度快，對其在實(shí)驗(yàn)中的直接觀測是一大挑戰(zhàn)。研究人員使用美國SLAC國家實(shí)驗(yàn)室的MeV-UED裝置克服了這個問題。MeV-UED是一款高速“電子相機(jī)”，通過高能超短電子束的散射來探測細(xì)微的分子運(yùn)動。

　　在最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了100納米厚（厚度僅為人頭發(fā)絲的千分之一）的液態(tài)水射流，并用紅外激光使水分子振動。隨后，他們使用來自MeV的高能電子短脈沖轟擊分子，并借助這一方法獲得了分子內(nèi)移動的原子結(jié)構(gòu)的高分辨率快照。每一張快照就是一幀畫面，串在一起則形成了一個視頻，展示了水分子網(wǎng)絡(luò)如何對光作出反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個受激水分子開始振動時(shí)，在量子效應(yīng)的作用下，它的氫原子會拉近相鄰水分子中的氧原子，然后將它們推開。

　　楊杰表示：“很長一段時(shí)間以來，科學(xué)家們一直試圖利用光譜技術(shù)來理解氫鍵網(wǎng)絡(luò)，但對其中的原子運(yùn)動只能間接推斷，一直沒法直接觀測。我們首次直接觀測到了這些分子之間的‘量子拖拽’。我們計(jì)劃利用這一方法進(jìn)一步了解氫鍵的量子性質(zhì)及其在水的奇異性質(zhì)中所起的作用，以及水的這些性質(zhì)在許多化學(xué)和生物過程中所起的關(guān)鍵作用。”

　　另一研究人員王西杰說：“最新研究為水領(lǐng)域的相關(guān)研究打開了一個窗口，我們有望在此基礎(chǔ)上揭示水是如何導(dǎo)致地球上生命的起源和生存的，并為可再生能源發(fā)展提供新信息。”