首次觀察到臨近水分子間的“量子拖拽” 揭示水奇異性質微觀起源

由美國能源部SLAC國家加速器實驗室，斯坦福大學和瑞典斯德哥爾摩大學科學家組成的科研團隊首次直接觀察到了臨近水分子之間的“量子拖拽”，這一新研究揭示了水奇異性質的微觀起源，并有助于科學家更好地理解水如何幫助蛋白質在生物體中發揮作用。研究發表于最新一期《自然》雜志。

每個水分子包含一個氧原子和兩個氫原子，一個水分子中帶正電的氫原子和相鄰水分子中帶負電的氧原子之間的氫鍵網將它們連接在一起，這一復雜網絡是水擁有很多令人費解特性的“幕后功臣”，但研究人員此前一直無法直接觀察水分子與“鄰居”如何相互作用。

領導這項研究的前SLAC科學家、現為清華大學常聘副教授楊杰在接受科技日報記者采訪時解釋稱，因為氫鍵的運動幅度小、速度快，對其在實驗中的直接觀測是一大挑戰。研究人員使用美國SLAC國家實驗室的MeV-UED裝置克服了這個問題。MeV-UED是一款高速“電子相機”，通過高能超短電子束的散射來探測細微的分子運動。

在最新研究中，研究團隊創造了100納米厚(厚度僅為人頭發絲的千分之一)的液態水射流，并用紅外激光使水分子振動。隨后，他們使用來自MeV的高能電子短脈沖轟擊分子，并借助這一方法獲得了分子內移動的原子結構的高分辨率快照。每一張快照就是一幀畫面，串在一起則形成了一個視頻，展示了水分子網絡如何對光作出反應。他們發現，當一個受激水分子開始振動時，在量子效應的作用下，它的氫原子會拉近相鄰水分子中的氧原子，然后將它們推開。

楊杰表示：“很長一段時間以來，科學家們一直試圖利用光譜技術來理解氫鍵網絡，但對其中的原子運動只能間接推斷，一直沒法直接觀測。我們首次直接觀測到了這些分子之間的‘量子拖拽’。我們計劃利用這一方法進一步了解氫鍵的量子性質及其在水的奇異性質中所起的作用，以及水的這些性質在許多化學和生物過程中所起的關鍵作用。”

另一研究人員王西杰說：“最新研究為水領域的相關研究打開了一個窗口，我們有望在此基礎上揭示水是如何導致地球上生命的起源和生存的，并為可再生能源發展提供新信息。”(科技日報記者 劉霞)