非氣、液、固 水分子在綠寶石內或有量子隧穿態

2020-11-24 人民網

原標題：除氣態、液態和固態外 水分子在綠寶石內或有量子隧穿態

　　[導讀] 教科書告訴我們,水有三種狀態:氣態、液態和固態,但據美國能源部下屬的橡樹嶺國家實驗室(ORNL)官網消息,該實驗室科學家通過中子散射和計算機模擬,揭示了水分子在極端限制條件下的新行為——量子隧穿。

　　除氣態、液態和固態外

　　水分子在綠寶石內或有量子隧穿態

　　水分子在綠寶石內或有量子隧穿態

　　科技日報北京4月24日電 （記者劉霞）教科書告訴我們，水有三種狀態：氣態、液態和固態，但據美國能源部下屬的橡樹嶺國家實驗室（ORNL）官網消息，該實驗室科學家通過中子散射和計算機模擬，揭示了水分子在極端限制條件下的新行為——量子隧穿。研究人員表示，最新現象或許會引發諸多領域科學家的廣泛討論。研究發表在最新一期的《物理評論快報》上。

　　這項研究在ORNL的散裂中子源（SNS）和英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室（RAL）進行，科學家發現了局限於綠寶石中直徑只有5埃（1埃等於百億分之一米）的超小六角形寬溝道內水分子的新的隧穿狀態。

　　該研究領導者、ORNL化學和工程材料分部的亞歷山大·科列斯尼科夫說：「在低溫下，正在隧穿的水通過隔開的潛在牆，展示出量子運動。這意味著，水分子中的氧原子和氫原子已『不受位置限制』，因此能同時出現在溝道內所有6個對稱的位置，這一現象僅僅發生在量子世界內。」

　　研究合作者勞倫斯·阿布維奇指出，水存在量子隧穿狀態這一結論或許有助於科學家更好地描述高限制環境下的水的熱力學屬性和行為，比如水在分子膜溝道、在碳納米管內、沿著晶粒邊界以及多種地理環境內的礦物質界面的擴散和輸送行為等，會引發材料、生物、地理和計算機領域的科學家們的廣泛討論，他們或許希望能釐清這一現象背後的機制，並將其應用於有關材料中。

　　阿布維奇表示：「這一發現代表了我們對水的行為以及水如何利用能量的新理解。有趣的是，可能我們會想，在藍寶石或翡翠戒指內的水分子或許正經歷最新實驗中發現的量子隧穿現象。」

　　阿布維奇還說，水展示出隧穿行為完全出乎意料。「直接從中子實驗獲得的水質子的動能比液體或固體中的動能少30%，與現在被廣泛接受的基於其振動模式的能量模型完全不匹配」。由雷克華盛頓理工學院和華盛頓大學博塞爾校區的科學家進行的原理模擬實驗表明，隧穿行為與綠寶石結構的振動動力學有關。

(責編：趙竹青、馬麗)

推薦閱讀

白春禮：把黨治國理政成功經驗作為科技創新的行動指南2016年6月30日上午，中國科學院在京舉行紀念建黨九十五周年表彰大會。中科院黨組書記、院長白春禮出席並發表講話。白春禮要求中科院各級黨組織和廣大共產黨員，把黨治國理政的成功經驗作為推動科技創新的行動指南，在推進「四個率先」目標的創新實踐中勇於擔當歷史使命，做出應有貢獻。【詳細】

6月「科學流言榜」發布 吃素不得心腦血管病列榜首六月「科學流言榜」今天發布，「吃素不得心腦血管病」位列榜首。「每月科學流言榜」由北京市科學技術協會、北京地區網站聯合闢謠平臺、北京科技記者編輯協會共同發布，得到中國科普作家協會科技傳播專業委員會、中國晚報科學編輯記者學會、上海科技傳播協會的支持。【詳細】

相關焦點

  • 水分子僅三種狀態?其在綠寶石內或有量子隧穿態
    【環球科技綜合報導】據英國《每日郵報》4月25日報導，首次有研究發現，水分子被局限於極端限制條件下時，其狀態非固態、液態或氣態，而呈現出量子隧穿態。　　美國能源部所屬的橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory; ORNL)對綠柱石(常見於翡翠中的一種礦石)中狹小空間內的水進行研究
  • 納米籠中的水分子的新形態
    隧穿是一種重要的量子現象，即允許粒子越過微觀的勢壘。最近的研究表明，被限制在類綠寶石晶體中的水錶現出水分子在不同取向之間的隧穿效應，每個分子在某一時刻處於6 個不同組態中。研究人員展示了中子散射實驗結果，表明隧穿過程使得水中氫原子散開成為環狀分布。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。
  • 物理學家發現水分子的新物態
    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」。
  • 量子世界中的「穿牆術」有多快?隧穿過程需要大約幾百個阿託秒
    這是因為在微觀世界中，經典的物理定律將不再適用，取而代之的是物理學中的量子力學。 試想一下，如果你把自己變成一個量子粒子，把固體牆換成量子障礙，就會發生意想不到的事情：你確實有機會穿過那看似不可逾越的障礙！這個過程被稱為量子隧穿，是量子力學的主要特徵之一。
  • 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
  • 「量子穿隧效應」需要多長時間?瞬間就能完成
    幾十年以來，物理學家一直想知道「量子穿隧效應」需要多長時間，現在經過3年的調查分析，一支由理論物理學家組建的國際團隊找到了答案。依據一項最新研究，他們測量了來自氫原子的穿隧電子，發現它們穿隧時間很短暫，幾乎是瞬間內完成。粒子能夠穿過固體不是因為它們非常小（雖然它們的確很小），而是因為物理規則在量子等級上存在差異。
  • 中國團隊在雙金屬量子阱層中共振隧穿研究獲進展
    （觀察者網訊）據觀察者網從中科院網站獲悉，磁性隧道結中的量子阱共振隧穿效應由於其重要的科學與應用價值而被廣泛關注和研究。在半導體領域，多量子阱之間的共振隧穿已經被證實和應用，例如共振隧穿二極體、多量子阱的發光二極體等。然而，目前為止還沒有在金屬結構中實現多量子阱的共振隧穿。
  • 科學家首次揭示水的全量子效應
    左圖為利用掃描隧道顯微鏡測量水的量子效應的示意圖。右圖為單個水分子的非彈性電子隧穿譜，從中可分辨水分子的拉伸、彎曲和轉動等振動模式，這些振動可以作為靈敏的探針來探測氫核的量子運動對氫鍵的影響。 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。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。
  • 氫分子量子隧穿效應假說!
    原子跳通常發生在有熱能供應的環境中，被稱為熱激活過程，這種過程在高溫條件下更普遍。這種情況類似於將一個盆地中積累水轉移到鄰近盆地；要把水帶過山口，必需施加外部能量。然而，如果兩個盆地由地下水管或隧道連接，那麼水就會自己慢慢地流動，不需要任何額外的能量。類似現象發生在原子尺度的隧道過程，如圖1所示。因為穿隧過程不需要熱能，原子遷移速度與溫度無關，遷移甚至可以在低溫下發生。
  • 量子隧穿現象被發現,最堅硬的屏障也無法抵擋,物理學家感到頭疼
    可是如果從物理學的角度來分析，科學家們通過最近觀察到的量子隧穿現象，倒是可以在未來讓科幻照進現實。其實量子隧穿現象對於物理學家們來說，並不是什麼新鮮的名詞了，早在上世紀20年代的時候，就有一位物理學家在研究分子光譜的時候，發現了偶對稱的量子與奇對稱的量子之間，一旦發生量子疊加現象，那麼就會引起非常強大的非定常波包，這個現象當時被稱作雙阱位勢，簡單來說，就是量子疊加後所產生的的能量可以穿越中間的障礙，並且還可以反反覆覆的上演這個現象
  • 一瞬間量子穿越不可逾越的屏障,量子穿隧效應新發現,快來看一看
    量子力學在現代科學的技術中，屬於比重很高的一門科學技術，因為量子力學有很多能夠擴張我們科學技術的研究。對於科學家在量子力學方面的研究，其實有很多基礎的層面，還沒有得到合理的解釋，所以量子力學的未來潛力巨大。科學家通過實驗發現，量子能夠很輕鬆的穿越人類認為，不可能逾越的障礙物，這點讓科學家十分的困惑，同時逾越障礙的時間，也一直沒有確定下來。
  • 「量子限域超流體」概念
    例如，NaK通道每次只能容納一個水合Na^+離子；K通道含有兩個相距約7.5埃的K^+離子，中間有一個水分子；每個Ca離子通道也同時結合兩個Ca^2+離子。　　近日，中國科學院院士、中國科學院理化技術研究所研究員江雷將生物孔道中離子和分子以單鏈的量子方式快速傳輸定義為「量子限域超流體」，並指出限域孔道內離子和分子的有序超流為「量子隧穿流體效應」，該「隧穿距離」與量子限域超流體的周期相一致。結合該課題組近期研究成果（Adv. Mater., 2016, 28, 3345-3350；Angew. Chem. Int.
  • 央視報導:我國科學家揭示水的全量子效應
    水的結構之所以如此複雜，其中一個很重要的原因就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（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。
  • 物理學家觀察到量子隧穿現象,它能讓粒子穿過最堅硬的屏障
    在克萊因隧穿過程中，帶負電荷的電子(顏色鮮豔的球體)可以完美地穿過勢壘。想像你正在行走，遇到了一個障礙物，比如一座小山或一堵牆。要爬到對岸，唯一的辦法就是爬上去，爬過去。但是如果你擁有和量子粒子一樣的超能力呢？量子力學的奇怪定律有時允許粒子突破障礙，就像它們不存在一樣。但是，隨著障礙越來越堅固，穿越這些屏障的難度也越來越大，這就使得能夠穿透屏障的粒子越來越少。然而，量子隧穿的一個特殊例子——克萊因隧穿——改變了「遊戲規則」。它有效地使屏障透明，打開了允許粒子通過的門戶，即使非常厚的牆壁也不能擋住它們的道路。
  • 科學家首次提出「量子限域超流體」概念
    例如，NaK通道每次只能容納一個水合Na+離子；K通道含有兩個相距約7.5埃的K+離子，中間有一個水分子；每個Ca離子通道也同時結合兩個Ca2+離子。   近日，中國科學院院士、中國科學院理化技術研究所研究員江雷將生物孔道中離子和分子以單鏈的量子方式快速傳輸定義為「量子限域超流體」，並指出限域孔道內離子和分子的有序超流為「量子隧穿流體效應」，該「隧穿距離」與量子限域超流體的周期相一致。結合該課題組近期研究成果（Adv. Mater., 2016, 28, 3345-3350；Angew. Chem.
  • 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
    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。
  • 水的神奇極端狀態:超離子態和量子態,水冰是存在的
    水，我們最熟悉的物質，卻不只有氣、液、固三個狀態。一項最新研究描述，水可以同時顯示固和液兩個狀態，即超離子態。科學家將其命名為「超離子水」。美國加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的物理學家描述，這是非常奇怪的一種狀態。
  • 日本科學家在「量子阱」中，實現電子「蒸發冷卻」散發熱量！
    當前可用的風扇噪音大，並且有可能發生故障的移動部件。現在，東京大學工業科學研究所的科學家們推出了一種新的固態解決方案，這種解決方案由半導體製成，可以很容易地直接製造到智慧型手機或筆記本電腦中。量子阱是一種納米級的結構，小到足以捕獲電子。在這項研究中使用的量子阱類型稱為非對稱雙勢壘異質結。在這些裝置中，非常窄的砷化鎵井被砷化鋁層隔開。
  • 日本科學家在「量子阱」中，實現電子「蒸發冷卻」散發熱量
    東京大學科學家宣布了一種不需要移動部件的電冷卻新方法，通過對半導體砷化鋁鎵製成的量子阱施加偏壓，可以使電子在稱為「蒸發冷卻」的過程中散發一些熱量。可以使用傳統半導體製造方法將基於該原理的設備添加到電子電路板，以幫助智慧型手機和膝上型計算機避免由高溫引起的性能問題。隨著智慧型手機、平板電腦和筆記本電腦變得更小、更強大，過熱的可能性變得越來越緊迫。