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水的核量子效應(yīng)首次揭示

  • 發(fā)布時間：2016-04-16 01:30:33  來源：科技日報  作者：佚名  責(zé)任編輯：羅伯特

　　■最新發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新

　　科技日報北京4月15日電 （記者李大慶）近期，中科院院士、北京大學(xué)教授王恩哥和北京大學(xué)教授江穎領(lǐng)導(dǎo)的課題組在國際上首次揭示了水的核量子效應(yīng)，從全新的角度詮釋了水的奧秘。相關(guān)研究成果于15日刊發(fā)在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

　　“水的結(jié)構(gòu)是什么？”這是《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年時提出的125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。水的結(jié)構(gòu)之所以如此復(fù)雜，一個重要原因是源于水分子之間的氫鍵相互作用。由于氫原子核質(zhì)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(yīng)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(jié)構(gòu)和反常物性至關(guān)重要。

　　江穎課題組和王恩哥課題組基于掃描隧道顯微鏡研發(fā)了一套針尖增強(qiáng)的非彈性電子隧穿譜技術(shù)，在國際上首次獲得了單個水分子的高分辨振動譜，并由此測得單個氫鍵的強(qiáng)度。通過可控的同位素替換實驗，并結(jié)合全量子化計算模擬，他們發(fā)現(xiàn)氫鍵的量子成分可遠(yuǎn)大于室溫下的熱能，表明氫核的量子效應(yīng)不只是對經(jīng)典相互作用的簡單修正，其足以對水的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響。進(jìn)一步深入分析表明，氫核的非簡諧零點運(yùn)動會弱化弱氫鍵，強(qiáng)化強(qiáng)氫鍵，這個物理圖像對于各種氫鍵體系具有相當(dāng)?shù)钠者m性，澄清了學(xué)術(shù)界長期爭論的氫鍵的量子本質(zhì)。

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