水的核量子效應首次揭示

2020-11-24 中國青年網

　　近期，中科院院士、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。相關研究成果於15日刊發在國際學術期刊《科學》上。

　　「水的結構是什麼？」這是《科學》雜誌在創刊125周年時提出的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，一個重要原因是源於水分子之間的氫鍵相互作用。由於氫原子核質量很小，其量子特性不可忽視，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？這個問題對理解水/冰的微觀結構和反常物性至關重要。

　　江穎課題組和王恩哥課題組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，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，其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。（記者李大慶）

相關焦點

  • 我國首次在原子尺度揭示水的核量子效應
    研究發現，核量子效應研究對於理解水的微觀結構和動力學非常關鍵。北京大學量子材料科學中心江穎、王恩哥課題組圍繞「原子尺度上水的核量子效應」開展研究工作，基於掃描隧道顯微鏡（STM），分別發展了亞分子級分辨成像技術、單分子操控技術和單分子振動譜技術，首次實現了核量子態的原子尺度探測和操控。課題組在表面水體系中發現了一系列新奇的核量子效應。
  • 我國科學家在國際上首次揭示水的核量子效應
    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。
  • 人類首次發現水的核量子效應:刷新認知
    「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。
  • 【特稿】水之舞——物理學院「水的核量子效應」系列課題研究紀實
    2016年，北京大學量子材料科學中心江穎研究員課題組和王恩哥院士課題組以及物理學院李新徵研究員、華中科技大學呂京濤研究員合作，在國際上率先測定了氫鍵的量子成分，揭示了水的核量子效應，從全新的角度詮釋了水的奧秘。該成果也入選了兩院院士評選的「2016年度中國十大科技進展新聞」。
  • 《PNAS》顛覆直覺,探索氫的核量子效應!
    雖然相對於純的氫和氘，固溶體也經歷了類似的高壓結構相變，但相變壓力顯著提高，揭示了在氫體系中獨特的量子效應。相關研究成果以「Counterintuitive effects of isotopic doping on the phase diagram of H2–HD–D2 molecular alloy」為題6月1日發表於《美國科學院院刊（PNAS）》。
  • 合肥研究院等在氫的表面擴散的核量子效應研究方面取得進展
    近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員楊勇和日本東北大學教授Kawazoe合作，基於第一性原理計算對氫原子在beta-PtO2(001)面的吸附和擴散以及核量子效應作了系統的研究。以質子膜交換燃料電池(proton-exchange membrane fuel cell)為例，氫離子在到達陰極之後，先和經由導線到達的電子複合成為氫原子，然後和陰極表面吸附的O2反應生成水。實驗上發現，在使用一段時間之後，電池的鉑電極表面會覆蓋上一層主要成分為beta-PtO2的氧化物。一個自然而然的問題是，這層氧化物的形成，對氫在電極表面的輸運過程影響如何？
  • 科學家首次揭示水的全量子效應
    圖片設計：梁明誠 記者日前從中國科學院獲悉，由中科院院士、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全量子效應，從全新的角度詮釋了水的奧秘。相關研究成果4月15日刊發在《科學》雜誌上。
  • 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。
  • 江穎、王恩哥等在Nature發文揭示水合離子的微觀結構和幻數效應
    近日，北京大學量子材料科學中心江穎課題組、徐莉梅課題組、北京大學化學與分子工程學院高毅勤課題組與北京大學/中國科學院王恩哥課題組合作，繼2014年獲得世界首張亞分子級分辨的水分子圖像後，再次取得突破，首次得到了水合鈉離子的原子級分辨圖像，並發現了一種水合離子輸運的幻數效應。
  • 首次「看見」離子水合物的原子結構並揭示離子輸運的幻數效應
    Science 在創刊125 周年之際，公布了本世紀125 個最具挑戰性的科學問題，其中就包括：水的結構如何？2015 年，《德國應用化學》也將水的相關問題列入未來24個關鍵問題之一(排第四)。水可以說是「soft in nature，hard in science」。雖然水分子的結構簡單，但相關問題是複雜的，其中一個很重要的原因在於水的核量子效應。
  • 破世界難題 中國科學家首揭水合離子原子級分辨圖像及幻數效應
    如果我們對電極材料進行精確的界面調控，利用溶劑化離子輸運的幻數效應，則可以提高離子的傳輸速率，從而縮短充電時間和增大電池功率。」北京大學物理學院量子材料科學中心教授江穎日前向公眾展望了最新研究成果水合離子輸運的幻數效應在未來的應用前景。近日，該科研團隊繼2014年獲得世界首張亞分子級分辨的水分子圖像後，在國際上首次得到水合鈉離子的原子級分辨圖像，並發現了一種水合離子輸運的幻數效應。
  • 看門道:你不知道水合離子的微觀結構和幻數效應
    中國網/中國發展門戶網訊 （記者王振紅）近日，中國科學家繼2014年獲得世界首張亞分子級分辨的水分子圖像後，再次取得突破，首次得到了水合鈉離子的原子級分辨圖像，並發現了一種水合離子輸運的幻數效應。他們首次在實空間獲得了水分子的亞分子級分辨圖像，揭示了水團簇分子間結合的氫鍵取向及質子的協同量子隧穿，測得了單個氫鍵的強度及核量子效應的影響，研究了冰的形核與生長機理以及冰表面的預融化過程。這些工作為水合物的原子尺度研究打下了堅實的基礎。
  • 液體的流動受水中量子效應的影響
    這種微小的量子效應影響著水分子相互作用的方式。然而，它可以導致大規模觀測的劇烈變化。這種效應可能會改變科學家理解水中生物分子溶液的性質和行為的方式，從而更好地理解生物系統。 水是地球上所有生命的基礎。它的結構很簡單，兩個氫原子結合在一個氧原子上，但是它的行為在液體中是獨一無二的，科學家們仍然沒有完全理解它獨特屬性的起源。
  • 「揭示水合離子的原子結構和幻數效應」入選2018年度中國科學十大...
    國家重點研發計劃「量子調控與量子信息」重點專項支持的「揭示水合離子的原子結構和幻數效應」入選2018年度中國科學十大進展。該成果由北京大學江穎、王恩哥等合作完成。該工作首次澄清了界面上離子水合物的原子構型，並建立了離子水合物的微觀結構和輸運性質之間的直接關聯，顛覆了人們對於受限體系中離子輸運的傳統認識。
  • 中國科學家首次揭示水合離子的微觀結構
    新華社記者 金立旺 攝北京大學和中國科學院的一支聯合研究團隊日前利用自主研發的高精度顯微鏡，首次獲得水合離子的原子級圖像，並發現其輸運的「幻數效應」，未來在離子電池、海水淡化以及生命科學相關領域等將有重要應用前景。該成果於北京時間14日由國際頂級學術期刊《自然》在線發表。水是人類熟悉但並不真正了解的一種物質。