物理學家發現水分子的新物態

2021-02-12 中科院物理所

研究者發現綠柱石中的水分子有著奇異的特性。(Jeff Scovil)

下屬美國能源部(DOE)的橡樹嶺國家實驗室(ORNL)發現了固液氣三態之外水的另一種物態。水分子處在讓經典物理失效的極度壓縮的環境下，體現出了量子效應。

該團隊的研究成果發表於最新一期的《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

普通情況下的水分子示意圖。(CSI)

正常情況下，水分子中氫原子和氧原子之間只隔著約1埃(納米的十分之一)的距離。物理學家們發現，如果將一個水分子塞入綠柱石(beryl)內部5埃寬，9埃長的六稜柱空隙之中，該水分子會展現出量子隧穿效益，成為離域分子。

量子隧穿效應(quantum tunnelling effect，又稱量子穿隧效應)是一種量子特性，指微觀粒子直接穿過它們不夠能量跨越的「山峰」。簡單的例子是甲基(-CH3，甲烷分子去掉一個氫原子)。在這個三角錐形狀的基團中，氫原子會無視阻力，隧穿至相鄰頂點的位置。

對水分子來說，在經典物理學中，只要氫原子不出現能級躍遷，V型的水分子在六邊形空隙中呆久了會擺出對應壁面的方向。但我們已經踏入了量子的世界。

此處的氫原子脫離了氧原子，通過隧穿效應，在附近所有可能的方向上同時均勻分布開來。溫度越高(從5K到50K)，這種現象越明顯。

此時情況如下圖左所示。綠柱石晶體(除淺藍以外的顏色)中有個六邊形的空間，一個氫原子以旋轉的方式同時存在於中心的六個位置(淺藍)，圍繞著中央的一個氧原子(未展現)。

水分子新物態示意圖。右：氫原子的電荷密度，藍色最低，黃色最高，體現了一個氫原子同時存在於六個頂點的位置。(A. I. Kolesnikov et al.)

ORNL和英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室(RAL)的物理學家們分別使用低能級和高能級中子散射法觀測到了這種情況。藉助先進的散裂中子源(spallation neutron source)這種「超級顯微鏡」，他們得以用不帶電的中子來觀察這種亞原子級結構。

研究者表示，這樣狹小的空隙常常出現在土壤、某些礦物以及細胞壁之中。他們指出，氫原子在這種情況下的分布形式使得水分子失去了偶極矩。

水向來被人們當成一種「萬能溶劑」：V型水分子兩頭的氫原子帶正電荷，中央的氧原子帶負電荷，使得水分子很容易與其它原子或分子建立化學鍵。但在這種尚未被命名的新物態中，水分子電荷的平衡已經被打亂，失去了建立這類化學鍵的能力。所以說，水的這種新物態證明了水並不是一種宇宙通用「萬能溶劑」。

來源：煎蛋

發現生活中好玩的科學

分享動手時探索的快樂

和我們一起玩點正經的

回傳實驗視頻有機會獲得小禮品

近期熱門文章Top10

↓ 點擊標題即可查看 ↓

1. 改變世界的十個公式(2016-3-4)

2. 物理學之美(2016-3-25)

3. 警惕人工智慧？(2016-3-11)

4. 量子力學英雄譜(2016-3-9)

5. π與最美的數學公式(2016-3-20)

6. 十萬個為什麼，國外的長啥樣(2016-3-13)

7. MIT技術評論: 這十項技術將在2016年改變世界(2016-3-3)

8. 量子世界的十個事實(2016-3-29)

9. 電磁波和引力波(2016-3-2)

10. 張首晟：用物理學家思維做風投(2016-3-21)

點擊公眾號內菜單欄「Top10」可查看過往每月熱門文章Top10

相關焦點

  • Science:物理學家新發現——氫鍵的秘密
    據一項新的研究表明，水滴聚合在一起的部分原因是水分子像量子隧穿效應的小齒輪一般。水分子由一個大的氧原子和兩個小的氫原子組成，周圍有電子圍繞。平均來看，電子圍繞氧原子的時間多於圍繞氫原子的時間，因此氧原子更傾向於帶負電，而氫原子傾向於帶正點。如果把兩個水分子相互接近，水分子1的氧原子傾向於吸引水分子2的氫原子，這兩個原子最終會靠得很近。
  • 熱學的物態變化及其條件
    物態變化是指物質從一種狀態變為另一種狀態的過程。我們知道，物質有三種不同的基本狀態:固態、液態、氣態。(像火和電等，它們屬於等離子態) 這次我們就從固、液、氣物質的三種基本狀態來說說物態變化及相應的條件。融化和凝固物質由固態變為液態的過程是熔化，這個過程中需要吸收熱量。
  • 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。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。
  • 月球表面發現水分子 美國宇航局在月球南半球有新發現
    內容提要：月球表面發現水分子 美國宇航局在月球南半球有新發現
  • 新研究發現雷射製冷或可產生奇異物態
    據美國國家標註技術研究所雷射製冷部門的物理學家特雷·波特(Trey Porto)介紹，「有時，你用雷射照射某些東西，這些東西的確可以冷卻下來，它們不僅是一大堆原子，還有肉眼可以看到的物體。」波特並未參與最新研究。　　據威茨和沃格爾介紹，他們可以利用這一過程去生成新的物態。
  • 水分子其實有兩種類型
    水分子存在兩種不同形式，但它們的物理參數幾乎完全一樣。
  • 進展 | 合金新物態——金屬冰川玻璃的發現
    當年，美國加州大學洛杉磯分校的Kivelson研究組發現，如果在一種分子液體——亞磷酸三苯酯（TPP）——的過冷液體區間內的特定溫度下進行保溫，TPP會轉變成一種能量介於非晶態和晶態之間的新物態，即冰川玻璃態。這種轉變被稱為冰川化過程，它屬於同成分下一種液體向另一種液體的結構轉變（液液相變），其相變產物是冰川玻璃態。
  • 進展|合金新物態——金屬冰川玻璃的發現
    當年，美國加州大學洛杉磯分校的Kivelson研究組發現，如果在一種分子液體——亞磷酸三苯酯（TPP）——的過冷液體區間內的特定溫度下進行保溫，TPP會轉變成一種能量介於非晶態和晶態之間的新物態，即冰川玻璃態。這種轉變被稱為冰川化過程，它屬於同成分下一種液體向另一種液體的結構轉變（液液相變），其相變產物是冰川玻璃態。
  • 科研人員發現合金新物態——金屬冰川玻璃
    當年，美國加州大學洛杉磯分校的Kivelson研究組發現，如果在一種分子液體——亞磷酸三苯酯（TPP）——的過冷液體區間內的特定溫度下進行保溫，TPP會轉變成一種能量介於非晶態和晶態之間的新物態，即冰川玻璃態。這種轉變被稱為冰川化過程，它屬於同成分下一種液體向另一種液體的結構轉變（液液相變），其相變產物是冰川玻璃態。
  • 物態方程知識講習《第1節 前言》與《第2節 理想氣體物態方程》
    物態方程在自然科學以及工程技術中都具有非常重要的地位,「理想氣體物態方程是化學動力學中最早的定量描述,同時也是熱力學和統計物理學的起源.分子相互作用的定量描述則起始於範德瓦爾斯方程[2].」物態方程知識,源遠流長,十七世紀以來,歷經許多科學家的不懈奮鬥,至今仍處於不斷改進、完善的進程之中.
  • 進展｜合金新物態——金屬冰川玻璃的發現
    當年，美國加州大學洛杉磯分校的Kivelson研究組發現，如果在一種分子液體——亞磷酸三苯酯（TPP）——的過冷液體區間內的特定溫度下進行保溫，TPP會轉變成一種能量介於非晶態和晶態之間的新物態，即冰川玻璃態。這種轉變被稱為冰川化過程，它屬於同成分下一種液體向另一種液體的結構轉變（液液相變），其相變產物是冰川玻璃態。
  • 現實中的「降維攻擊」導致二維拓撲量子物態 | 文小剛點評
    一個三維電子體系在加上強磁場後，會自發變成一個一層一層的二維電子體系，而這個二維電子體系又正好是一個帶拓撲序的量子物態。這一奇妙的降維相變最近被南科大和中科大的實驗物理學家發現。以前，拓撲序僅僅出現於半導體的二維界面上，現在這一新的實驗發現，給了我們一個新的材料體系，其中也能產生拓撲序。目前，我們在這一新材料中發現的僅僅是一類最簡單的拓撲序。希望今後在這一類材料中，我們可以發現更豐富的拓撲物態。
  • 我國科學家在高壓下新物態研究中發現新結構超導體
    近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心高壓研究團隊與安徽大學、南丹麥大學、南京大學等合作，利用高壓研究手段發現了一種具有新穎結構的超導體。(TaSe4)2I高壓下的新物態由於(TaSe4)2I準一維鏈狀結構特點，它是一種典型電荷密度波材料；從電子能帶結構的拓撲分類研究發現其高溫相為
  • 結晶冰中,如何讓無序的水分子「聽令」?
    他們發現，在特定條件下，冰能夠恢復部分有序性。研究人員描述了有序狀態下低溫冰的鐵電性。 「在一塊理想有序的冰中，每個水分子的氫原子都會指向同一方向。」
  • 材料學領域重大發現！介於固體和液體之間還有這種特殊物態
    近日，來自南京大學物理學院和南京微結構協同創新中心的孫建教授課題組，與英國劍橋大學、愛丁堡大學和美國加州州立大學北嶺分校的研究人員通力合作，利用晶體結構搜索和第一性原理計算等方法預言了氦和氨在高壓下可形成多種穩定化合物，並發現這類化合物在高溫高壓極端條件下會出現介於固體和液體之間的特殊物態——塑晶態和超離子態。
  • 科學家發現最小冰立方新結構 是由8個水分子組成的水團簇
    11月2日，記者從中國科學院大連化物所獲悉，該所江凌研究員和楊學明院士團隊與清華大學李雋教授研究組合作，利用自主研製的基於大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗方法，發現了多個最小冰立方的新結構，這些最小冰立方是由8個水分子組成的水團簇，這為揭開冰的微觀結構和形成機制提供了新思路。
  • 香港-北京-上海物理學家合力推動量子材料研究
    可是，這樣的規律也有盡頭，以目前集成電路器件的精密程度來看，已有需要從量子物理學入手去改良或發掘新材料，因此相關研究可說是現代文明社會永續發展的基石。拓撲物態概念是凝聚態物理學中的重要理論。他們利用高度抽象的拓撲學（Topology）數學概念打開了量子物理學和材料科學的全新研究方向，使物理學家能夠以嶄新角度看待凝聚態物理學和材料系統，是人類對於物質分類理論的一大進步。量子材料的最新應用包括新一代信息高速公路的導線、高速便捷的磁懸浮列車、高溫超導體材料、存儲和傳輸儀器及進行量子計算的機器零件等，具有廣闊的應用前景。
  • 納米籠中的水分子的新形態
    這種水的新形態具有更高的對稱性，可以預見其電偶極矩為零。而一般來說，電偶極矩使得水形成氫鍵，因此適於作為溶劑。一般來說，隧穿是指一個物體在沒有足夠高能量情況下通過一個勢壘的過程。一些分子可以在不同旋轉取向之間隧穿。一個代表性的例子是甲基(CH3)，這裡一個碳原子與位於金字塔型對稱位置的3 個氫原子鍵合。相鄰原子之間的電場產生的斥力阻止任何圍繞金字塔軸向的旋轉。
  • 諾貝爾物理學獎史演義系列(十)——範德華博士論文解物態
    當他把氧氣通過高壓變為液氧後，運用克拉佩龍物態方程計算的結果與實驗測試的結果並不一樣，他不禁生出疑問。範德華的諾貝爾獎官方照片(來源：物理雙月刊網)克拉佩龍物態方程是1837年法國科學院院士伯諾瓦·保羅·埃米爾·克拉佩龍總結出來的熱力學方程，主要描述氣體體積、壓力、溫度等之間的數學關係。此方程包括三方面內容：氣體體積與壓力成反比、與溫度成正比、與粒子數目成正比。
  • 月球表面發現水分子，人類何時重返月球？
    一年下來，總要搞出幾個「xx發現了生命」，「xx發現了宜居星球」之類的「大新聞」。（圖源/網絡）而這次的新發現，意味著佔據月球表面積99.9631%的光照區存在水分子。太陽風中的氫離子在破壞月球表面的矽氧鍵後，與氧發生反應形成羥基，由於天體撞擊所產生的熱能，促使羥基轉變為水分子。