水分子间“量子拖拽”直接观测到了

研究人员首次直接观察到处于激发态的液态水分子中的原子运动。图片来源：美国SLAC国家加速器实验室

　　由美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和瑞典斯德哥尔摩大学科学家组成的科研团队首次直接观察到了临近水分子之间的“量子拖拽”，这一新研究揭示了水奇异性质的微观起源，并有助于科学家更好地理解水如何帮助蛋白质在生物体中发挥作用。研究发表于最新一期《自然》杂志。

　　每个水分子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和相邻水分子中带负电的氧原子之间的氢键网将它们连接在一起，这一复杂网络是水拥有很多令人费解特性的“幕后功臣”，但研究人员此前一直无法直接观察水分子与“邻居”如何相互作用。

　　领导这项研究的前SLAC科学家、现清华大学长聘副教授杨杰在接受科技日报记者采访时解释称，因为氢键的运动幅度小、速度快，对其在实验中的直接观测是一大挑战。研究人员使用美国SLAC国家实验室的MeV-UED装置克服了这个问题。MeV-UED是一款高速“电子相机”，通过高能超短电子束的散射来探测细微的分子运动。

　　在最新研究中，研究团队创造了100纳米厚（厚度仅为人头发丝的千分之一）的液态水射流，并用红外激光使水分子振动。随后，他们使用来自MeV的高能电子短脉冲轰击分子，并借助这一方法获得了分子内移动的原子结构的高分辨率快照。每一张快照就是一帧画面，串在一起则形成了一个视频，展示了水分子网络如何对光作出反应。他们发现，当一个受激水分子开始振动时，在量子效应的作用下，它的氢原子会拉近相邻水分子中的氧原子，然后将它们推开。

　　杨杰表示：“很长一段时间以来，科学家们一直试图利用光谱技术来理解氢键网络，但对其中的原子运动只能间接推断，一直没法直接观测。我们首次直接观测到了这些分子之间的‘量子拖拽’。我们计划利用这一方法进一步了解氢键的量子性质及其在水的奇异性质中所起的作用，以及水的这些性质在许多化学和生物过程中所起的关键作用。”

　　另一研究人员王西杰说：“最新研究为水领域的相关研究打开了一个窗口，我们有望在此基础上揭示水是如何导致地球上生命的起源和生存的，并为可再生能源发展提供新信息。”