凭借激光，研讨人员直接调查到了水分子间氢键的动力学。来历：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
水是天然界含量最大的液体，但人类并不彻底了解水。直至今天，水展现出的许多古怪特性仍令科学家们困惑不已。虽然大多数液体的密度都跟着温度下降而升高，水却在4度到达最大密度，高于凝固点液态水的密度。正因而，冬天湖面从外表开端结冰，之后才向下逐渐冻住的，这使海洋生物能在隆冬中生计的原因。水还具有极高的外表张力，使昆虫可以在水面行走。
现在，美国能源部国家加速器试验室（SLAC）的研讨者领导的团队初次调查到了水分子中的氢原子在激光下招引或排挤附近水分子的行为。他们在《天然》上报告了这一发现，提醒了水奇怪特性的或许来源，也将协助了解水在生物体中协助蛋白质发挥效果的进程。“虽然早有猜测以为这种称作核量子效应的效果是水的许多奇怪性质的中心，但这仍是初次直接观测到它。”研讨合作者之一、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反常特性的理论模型中缺失的一环。”
每个水分子都包括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，很多氢键形成了一张氢键网，将一切水分子结合在一起。这样扑朔迷离的网络是水的许多难以解说的特性背面的驱动力。但直到最近，研讨者们依旧没办法对水分子与附近分子间的相互效果进行直接调查。“氢原子较小的质量使其波状的量子特性更为明显，”研讨合作者、SLAC斯坦福脉冲研讨所的科学家Kelly Gaffney说，“这项研讨初次直接证明了氢键网络对能量脉冲的相应特别大程度上取决于氢原子间隔方法的量子力学性质。量子特点一直以来被以为是导致水和相似物质共同性质的原因。”
因为氢键的运动细小而快速，对这一现象的调查直今都很有挑战性。该试验运用SLAC的MeV-UED克服了这样的一个问题。MeV-UED是一种高速“电子相机”，通过从样品上散射高能电子束，来检测纤细的分子运动。研讨团队制作了100纳米的液态水射流，比人的头发细1000倍，其间的水分子在红外激光的驱动下振荡。接着研讨者运用来自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，显现出水分子网络对光的呼应进程。聚集在三个水分子上的快照显现，在一个水分子受激开端振荡时，它的氢原子会将相邻水分子中的氧原子拉近，之后一种新发现的效果会将它们推开，使分子间的间隔扩展。
“长期以来，研讨人员都在企图运用光谱技能了解氢键网络，”领导这项研讨的前SLAC科学家、现清华大学长聘副教授杨杰说，“这个试验的美好之处在于，让咱们第一次直接调查到了这些分子的运动方法。”
研讨者期望使用这种技能更深化地了解氢键的量子性质，以及量子性质在水的奇特特性中起到的所用。
“这确实为水的相关研讨打开了一扇新的窗口，”SLAC的出色科学家和研讨合作者Xijie Wang说，“咱们总算能看到氢键的运动了。咱们我们都期望将氢键的运动与更广泛的物理图景联系起来，阐明水促进地球生命来源和生计的进程，并未可再次出产的能源技能的开展供给信息。”
