從全新角度詮釋水的奧秘 我科學家首次揭示水的全量子效應

本報訊 記者佘惠敏報導：中國科學院院士、北京大學教授王恩哥和北京大學江穎教授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。相關研究成果於4月15日刊發在國際頂級學術期刊《科學》上。

「水的結構是什麼？」這是《科學》雜誌在創刊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複雜，其中一個很重要的原因就是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，然而由於氫原子核質量很小，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？這個問題對於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，無論對於實驗還是理論都非常具有挑戰性。

為實現對氫核量子特性的精確探測和描述，北京大學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。他們成功發展了對於氫核敏感的超高分辨掃描探針顯微術，開發了基於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，並在此基礎上探測到氫核的動態轉移過程。

最近，他們又基於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解析度方面的限制，在國際上首次獲得了單個水分子的高分辨振動譜，並由此測得了單個氫鍵的強度。通過可控的同位素替換實驗，並結合全量子化計算模擬，他們發現氫鍵的量子成分可遠大於室溫下的熱能，表明氫核的量子效應不只是對經典相互作用的簡單修正，而是足以對水的結構和性質產生顯著影響。進一步深入分析表明，氫核的非簡諧零點運動會弱化弱氫鍵，強化強氫鍵，這個物理圖像對於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》雜誌的審稿人盛讚該工作是「實驗的傑作」「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。這項工作得到了國家自然科學基金委、科技部國家重點基礎研究發展計劃、「萬人計劃」青年拔尖人才支持計劃和量子物質科學協同創新中心的經費支持。