研究人員發現了水分子的新狀態

中子散射和計算模型揭示了水分子在極端限制下的獨特和意外行為，這是任何已知的氣體，液體或固體狀態所無法比擬的。

在「 物理評論快報」上發表的一篇論文中，能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員描述了一種新的隧道狀態，這種狀態的水分子被限制在礦物綠柱石的六邊形超小通道中 - 超過5埃。埃為1/100億分之一米，單個原子的直徑通常約為1埃。

通過在ORNL的Spallation Neutron Source和英國的Rutherford Appleton實驗室進行的實驗，這一發現成為可能，展示了巖石，土壤和細胞壁中超限水的特徵，科學家預測這些特徵將引起許多學科的興趣。

ORNL的化學和工程材料部門的主要作者亞歷山大·科列斯尼科夫說：「在低溫下，這種隧道水通過分離電位壁呈現出量子運動，這在經典世界中是被禁止的。」 「這意味著水分子的氧和氫原子'離域'，因此同時存在於通道中所有六個對稱等效位置。這是僅存在於量子力學中並且與我們的日常經驗無關的那些現象之一。「

ORNL研究中顯示的水的隧道狀態的存在應該有助於科學家更好地描述水在高度受限的環境中的熱力學性質和行為，例如水擴散和細胞膜通道，碳納米管和沿晶界的運輸。在許多地質環境中的礦物界面。

ORNL的共同作者勞倫斯·阿諾維茨指出，這一發現很容易激發材料，生物，地質和計算科學家之間的討論，因為他們試圖解釋這種現象背後的機制並理解它如何應用於他們的材料。

「這一發現代表了對水的行為以及水利用能源的方式的新的基本理解，」Anovitz說。「認為你的海藍寶石或祖母綠環中的水分子 - 藍綠色的綠柱石 - 正經歷著我們在實驗中看到的相同的量子隧道，這也很有趣。」

雖然先前的研究已經觀察到其他系統中的原子氫隧穿，但ORNL發現水錶現出這種隧道行為是前所未有的。中子散射和計算化學實驗表明，在隧道狀態下，水分子在環周圍離域，因此水分子呈現出不尋常的雙頂狀形狀。

「從中子實驗直接獲得的水質子的平均動能是它們在幾乎絕對零度溫度下運動的量度，比在散裝液體或固體水中低約30%，」Kolesnikov說。「這完全不同於基于振動模式能量的公認模型。」

華盛頓湖技術學院和華盛頓大學博塞爾分校的Narayani Choudhury首先進行的模擬表明，隧道行為與綠柱石結構的振動動力學有關。