水分子內部結構全球首曝光 我國科學家走在世界前列
水是人們日常生活中最常見的物質。但有關「水」的奧秘，人類還有很多問題沒有解開。比如說，我們從初中課本上就知道，它是由兩個氫原子和一個氧原子構成的，但水分子到底長什麼樣？它們又是如何形成水分子的？水是生命之源，其獨特的氫鍵結構也一直讓科學家難以解釋。這些一直都是未解之謎。
日前，我國科學家——北京大學量子材料中心、量子物質科學協同創新中心的江穎課題組和王恩哥課題組共同在水科學領域取得重大突破，首次拍攝到了水分子的內部結構，使得在實驗中直接解析水的氫鍵網絡構型成為可能。這一科研成果已於1月5日以全文的形式在世界權威科學雜誌《自然—材料學》上在線發表。江穎和王恩哥是文章的共同通訊作者，博士研究生郭靜、孟祥志和陳基是文章的共同第一作者，物理學院的李新徵研究員和量子材料中心的施均仁教授在理論方面提供了重要的支持和幫助。這項工作得到了國家基金委、科技部、教育部和北京大學的資助。
給水分子拍照不是一件容易的事兒
給水分子拍照不是一件容易的事，因為它實在是太小了，直徑只有一根頭髮絲的百萬分之一，而且在液態情況下，水分子運動非常快。拍照的第一個難題，就是給它選擇一個合適的襯底。
由於拍攝儀器的要求，這個襯底還得能導電才行。以前，科學家一般選取的是以金屬作為襯底，把水直接放在金屬上進行觀察，但由於水分子和金屬之間有很強的相互作用，水分子的軌道往往會被金屬的電子態所淹沒，所以此前世界各國的科學家拍到的水分子照片，最多只是模糊的外形——「一個沒有任何內部結構的圓形凸起」。這次我國科學家選取了金屬表面生長的絕緣薄膜（氯化鈉）作為拍攝的襯底，讓水分子吸附在鹽的表面進行觀察，這大大減小了水分子和襯底之間的耦合，從而使水分子本徵的軌道結構得以保留。
拍攝水分子內部結構的另外一個挑戰，就是單個水分子的信號強度異常微弱，對實驗儀器的精度要求非常高。記者了解到，過去3年，江穎課題組主要致力於超高分辨的掃描探針顯微鏡系統的研製和開發，在單分子成像和操控方面積累了豐富的經驗，並取得了一系列的研究進展：在亞納米尺度對二維自旋晶格的近藤效應進行了實空間成像；探測到了單個萘酞菁分子內部不同的振動模式的空間分布；對單個功能化分子內部的化學鍵實現了選擇性操縱。在此基礎上，江穎課題組和王恩哥課題組緊密合作，通過仔細的論證和不懈的探索，成功地把亞分子級分辨成像和操控技術應用到水科學領域，開創性地把掃描隧道顯微鏡的針尖作為頂柵極，以皮米（1皮米相當於1米的一萬億分之一）的精度控制針尖與水分子之間的距離和耦合強度，調控水分子的軌道態密度在費米能級附近的分布，從而大大提高了成像的信噪比，使得研究人員捕捉到水分子更清晰的面貌。基於高解析度的水分子圖像，研究人員還可以進一步確定水分子在表面上的取向。
利用和改變水的特性將成為可能
普普通通的一滴水中，就有無數個水分子。那麼，這些水分子是怎麼湊在一起，變成我們看得見摸得著的水呢？我國科學家給水分子拍照的時候，在這一點上也有重要的發現。此前，科學家們已經知道，水分子和水分子之間是由氫鍵相連的，氫鍵的構型和方向性決定了水的很多特性。如何在微觀上確定水的氫鍵網絡構型是水科學領域的關鍵科學問題之一。如果能拍攝到水分子的內部結構和空間取向，將使得在實驗中直接解析水的氫鍵網絡構型成為可能，這是很多實驗科學家夢寐以求的事情。我國科學家不僅拍攝到單個水分子的結構，還拍到了由4個水分子組成的水團簇，通過高解析度的軌道圖像首次成功解析出了水團簇的微觀氫鍵構型，並且發現，水分子之間通過氫鍵連接的時候，還存在著一定的方向性。結合第一性原理計算，研究人員發現以往報導的鹽表面的水分子團簇都不是最穩定的構型，並提出了一種全新的四聚體吸附結構。
水分子內部結構長什麼樣，水分子和水分子之間如何連接，它們在不同的固體表面，又有怎樣不同的變化，我國科學家開展的這些研究，都有助於人們利用和改變水的特性，在現實生活中有廣泛的應用。
課題組相關負責人介紹：比如說大家現在比較關注的PM2.5，本質上它是一個微米（1微米相當於1米的一百萬分之一）級的粉塵，作為大氣中一種重要的凝結核，外表面通常會包裹著一層水。利用上述研究工作中所發展的水分子高解析度成像技術，如果能夠把不同類型粉塵表面的這一層水的微觀結構解析出來的話，將有可能給環境科學家們一些啟發和幫助，讓他們能夠對症下藥，針對性地採取一些化學或物理的辦法，增強粉塵外面水蒸氣的凝結，或者促進粉塵之間的相互聚合，從而使得PM2.5粉塵能夠直接沉降到地面。