科学家首次捕捉到相邻水分子之间的量子引力

　　研究人员首次直接观察到被激光激发的液态水分子中的原子运动。他们的结果揭示了可能支持水的奇怪性质的微观起源的效应。资料来源:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室
　　水是自然界中最丰富却又最不为人所知的液体。它表现出许多科学家仍难以解释的奇怪行为。大多数液体温度越低密度越大，而水的密度在39华氏度(略高于冰点)时最高。这就是为什么冰会浮到饮水杯的顶部，而湖泊从表面以下会结冰，让海洋生物能够在寒冷的冬天生存。水还具有异常高的表面张力，使昆虫能够在其表面行走，并具有巨大的存储热量的能力，保持海洋温度稳定。
　　现在，一个由能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和瑞典斯德哥尔摩大学的研究人员组成的团队首次直接观察到，当水分子被激光激发时，水分子中的氢原子是如何拉动和推动邻近的水分子的。他们的研究结果发表在今天的《自然》杂志上，揭示了可能支持水奇特特性的微观起源的关键方面的影响，并可能导致更好地理解水如何帮助蛋白质在生物体中发挥作用。
　　＂尽管这种所谓的核量子效应被假设为许多水的奇怪性质的核心，但这个实验标志着它首次被直接观察到，＂研究合作者，斯德哥尔摩大学化学物理学教授Anders Nilsson说。＂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。＂
　　每个水分子包含一个氧原子和两个氢原子，一个分子中带正电的氢原子和相邻分子中带负电的氧原子之间的氢键网将它们连接在一起。这种复杂的网络是水的许多令人费解的特性背后的驱动力，但直到最近，研究人员还无法直接观察水分子如何与它的邻居相互作用。
　　＂氢原子的低质量强调了它们的量子波行为，＂合作伙伴、SLAC斯坦福脉冲研究所的科学家凯利·加夫尼(Kelly Gaffney)说。＂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,一直被认为是负责水的独特属性和其氢键网络。＂
　　爱你的邻居
　　到目前为止，由于氢键的运动是如此的微小和快速，要进行这样的观察一直是一个挑战。这个实验使用SLAC的MeV-UED克服了这个问题，MeV-UED是一种高速的＂电子摄像机＂，它通过向样品散射强大的电子束来探测分子的细微运动。
　　研究小组创造了100纳米厚的液态水射流——大约是人类头发宽度的1000倍——并用红外激光使水分子振动。然后，他们用MeV-UED产生的高能电子短脉冲轰击这些分子。
　　在这些实验中，研究团队(从左到右:沈晓哲、佩德罗·努内斯、杨杰和王西杰)使用了SLAC的MeV-UED，这是一种高速的＂电子摄像机＂，使用强大的电子束探测样品中微小的分子运动。资料来源:Dawn Harmer/SLAC国家加速器实验室
　　这产生了高分辨率的分子原子结构变化的快照，它们串在一起，形成了一个定格动画电影，展示了水分子网络如何对光作出反应。
　　这些照片聚焦于三个水分子组成的一组，揭示了当一个激发态的水分子开始振动时，它的氢原子将邻近水分子中的氧原子拉得更近，然后用新发现的强度将它们推开，扩大了分子之间的空间。
　　＂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，＂前SLAC科学家、现任中国清华大学教授的杨杰(Jie Yang)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。＂
　　水上之窗
　　研究人员希望利用这种方法来深入了解氢键的量子性质，以及它们在水的奇异性质中所起的作用，以及这些性质在许多化学和生物过程中所起的关键作用。
　　＂这真的为研究水打开了一扇新的窗户，＂SLAC杰出的科学家和研究合作者王西杰说。＂现在我们终于可以看到氢键的运动，我们想把这些运动与更广阔的图景联系起来，这可能会阐明水是如何导致地球上生命的起源和生存的，并为可再生能源方法的发展提供信息。＂
　　MeV-UED是LCLS用户设施的一个仪器，由SLAC代表资助这项研究的能源部科学办公室操作。