Quantum Tug-war-War解释水的奇怪性奇怪吗？

一个国际研究小组首次使用高速电子摄像机观察液态水的原子运动。

这些观察结果 - 揭示了氢原子互动的量子性质 - 使科学家们更接近了解水的奇怪和古怪的性质，如同其异常高的表面张力，其大容量存储热量，以及它更密集的方式在冰点上方（而不是变得更冷，就像其他液体一样冷）。

结果是发表在自然．

“Although this so-called nuclear quantum effect has been hypothesised to be at the heart of many of water’s strange properties, this experiment marks the first time it was ever observed directly,” says co-author of the study Anders Nilsson, a professor of chemical physics at Stockholm University.

“问题是，这种量子效应是否可能是描述水异常特性的理论模型中缺失的一环。”

您可能记得从高中科学院，水分子由一个氧原子（O）和两个氢原子（H）组成。它是不同H之间的相互作用₂O分子——称为“氢键”的分子内力——赋予了水奇异的性质。一个分子中带正电的氢原子会被另一个分子中带负电的氧原子所吸引。这张氢键网将水分子群连接在一起。

观察这些氢键是了解水分子如何与它们的邻居相互作用的关键，但这是一个很难观察的过程，因为氢键很小而且短暂。

“很长一段时间以来，研究人员一直试图利用光谱学技术来了解氢键网络，”领导这项研究的中国清华大学教授杨杰解释说。“这个实验的美妙之处在于，我们第一次能够直接观察这些分子是如何运动的。”

杨的研究使用了高速电子摄像机来捕捉这些难以捉摸的化学键。

首先，该团队建立了一个显微镜下极薄的液态水射流(比人类头发的宽度还要薄1000倍)，并用红外激光使水分子振动。然后，他们将电子从分子中散射出来，生成分子运动的高分辨率快照。这使得他们能够制作出分子对光反应的定格动画。

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阅读更多:仔细观察分子运动

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这说明了什么?

当水分子开始振动时，它的氢原子将邻近分子中的氧原子拉得更近，然后再将它们推开，以扩大分子之间的空间。

来自美国能源部SLAC国家加速器实验室的合著者Kelly Gaffney解释说，这是类似量子波的行为——可能是由于氢原子的低质量而加剧的。

“这项研究首次直接证明了氢键网络的响应一个脉冲能量的关键取决于如何氢原子的量子力学性质是飘飘然的,长期以来被认为负责水的独特属性及其氢键网络,”格说。

研究小组总结道，这些特性是许多化学和生物过程的关键，因此更好地了解它们可以帮助我们更好地理解地球上生命的起源和生存。