新華社北京4月15日電（記者吳晶晶）「水的結構是什麼？」這是國際頂級學術期刊《科學》雜誌在創刊125周年特刊中提出的125個最具挑戰性的科學問題之一。記者從中科院獲悉，中國科學院院士、北京大學教授王恩哥和北京大學教授江穎領導的課題組在國際上首次揭示了水的核量子效應，從全新的角度詮釋了水的奧秘。相關研究成果15日刊發在《科學》上。
據介紹，水的結構之所以如此複雜，其中一個很重要的原因是源於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，其量子特性往往不可忽視，因此氫鍵同時也包含一定的量子成分。氫鍵的量子成分究竟有多大？這個問題對於理解水或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，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，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，他們又研發了一套「針尖增強的非彈性電子隧穿譜」技術，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。
科學家們發現，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足以對水的結構和性質產生顯著的影響。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。