借助激光，研究人员直接观察到了水分子间氢键的动力学。来源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

水是自然界含量最大的液体，但人类并不完全了解水。直至今日，水展现出的许多奇怪特性仍令科学家们困惑不已。尽管大多数液体的密度都随着温度降低而升高，水却在4度达到最大密度，高于凝固点液态水的密度。正因此，冬季湖面从表面开始结冰，之后才向下逐步冻结的，这使海洋生物能在寒冬中生存的原因。水还具有极高的表面张力，使昆虫能够在水面行走。

如今，美国能源部国家加速器实验室（SLAC）的研究者领导的团队首次观察到了水分子中的氢原子在激光下吸引或排斥邻近水分子的行为。他们在《自然》上报告了这一发现，揭示了水怪异特性的可能起源，也将帮助了解水在生物体中帮助蛋白质发挥作用的过程。“尽管早有猜想认为这种称作核量子效应的作用是水的许多怪异性质的核心，但这还是首次直接观测到它。”研究合作者之一、瑞典斯德哥尔摩大学的化学物理教授Anders Nilsson说，“问题是这种量子效应是能否填补水异常特性的理论模型中缺失的一环。”

水分子的邻里关系

每个水分子都包含一个氧原子和两个氢原子。一个水分子中带正电的氢原子与相邻水分子中带负电的氧原子间存在氢键，无数氢键形成了一张氢键网，将所有水分子结合在一起。这样错综复杂的网络是水的许多难以解释的特性背后的驱动力。但直到最近，研究者们仍然无法对水分子与邻近分子间的相互作用进行直接观察。“氢原子较小的质量使其波状的量子特性更为显著，”研究合作者、SLAC斯坦福脉冲研究所的科学家Kelly Gaffney说，“这项研究首次直接证明了氢键网络对能量脉冲的相应很大程度上取决于氢原子间距方式的量子力学性质。量子属性一直以来被认为是导致水和类似物质独特性质的原因。”

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由于氢键的运动微小而快速，对这一现象的观察直今都很有挑战性。该实验使用SLAC的MeV-UED克服了这个问题。MeV-UED是一种高速“电子相机”，通过从样品上散射高能电子束，来检测细微的分子运动。研究团队制造了100纳米的液态水射流，比人的头发细1000倍，其中的水分子在红外激光的驱动下振动。接着研究者使用来自MeV-UED的高能电子短脉冲冲击水分子。由此生成了一系列分子中原子移动的高分辨率快照，它们串在一起形成了定格动画，显示出水分子网络对光的响应过程。聚焦在三个水分子上的快照显示，在一个水分子受激开始振动时，它的氢原子会将相邻水分子中的氧原子拉近，之后一种新发现的作用会将它们推开，使分子间的距离扩大。

水为物理学打开了一扇窗

“长期以来，研究人员都在试图使用光谱技术了解氢键网络，”领导这项研究的前SLAC科学家、现清华大学长聘副教授杨杰说，“这个实验的美妙之处在于，让我们第一次直接观察到了这些分子的运动方式。”

研究者希望利用这种技术更深入地了解氢键的量子性质，以及量子性质在水的奇异特性中起到的所用。

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“这确实为水的相关研究打开了一扇新的窗口，”SLAC的杰出科学家和研究合作者Xijie Wang说，“我们终于可以看到氢键的运动了。我们希望将氢键的运动与更广泛的物理图景联系起来，阐明水促使地球生命起源和生存的过程，并未可再生能源技术的发展提供信息。”

翻译：武大可

来源：DOE/SLAC