水是自然界中含量最豐富但了解最少的液體。它表現(xiàn)出許多科學(xué)家仍然難以解釋的奇怪行為。雖然大多數(shù)液體隨著溫度的降低而變得密度更大，但水在 39 華氏度時(shí)密度最大，剛好高于其冰點(diǎn)。這就是為什么冰會(huì)漂浮到水杯頂部，而湖泊從表面向下凍結(jié)，使海洋生物能夠在寒冷的冬天生存。水還具有異常高的表面張力，允許昆蟲(chóng)在其表面行走，并且具有很大的熱量?jī)?chǔ)存能力，可以保持海洋溫度穩(wěn)定。
現(xiàn)在，由能源部 SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)和瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)首次直接觀察到水分子中的氫原子在被激光激發(fā)時(shí)如何牽引和推動(dòng)鄰近的水分子.他們的研究結(jié)果發(fā)表在今天的《自然》雜志上，揭示了可能支持水奇怪特性的微觀起源的關(guān)鍵方面的影響，并可能導(dǎo)致更好地了解水如何幫助蛋白質(zhì)在生物體中發(fā)揮作用。
研究合作者、斯德哥爾摩化學(xué)物理學(xué)教授安德斯·尼爾森 (Anders Nilsson) 表示：“盡管人們假設(shè)這種所謂的核量子效應(yīng)是水的許多奇怪特性的核心，但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著它首次被直接觀察到。”大學(xué)。“問(wèn)題是這種量子效應(yīng)是否可能是描述水異常特性的理論模型中缺失的環(huán)節(jié)。”
每個(gè)水分子包含一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子，一個(gè)分子中帶正電的氫原子和相鄰分子中帶負(fù)電的氧原子之間形成了一張氫鍵網(wǎng)，將它們結(jié)合在一起。這個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)是水的許多無(wú)法解釋的特性背后的驅(qū)動(dòng)力，但直到最近，研究人員還無(wú)法直接觀察水分子如何與其鄰居相互作用。
“氫原子的低質(zhì)量增強(qiáng)了它們的量子波狀行為，”合作者、SLAC 斯坦福脈沖研究所的科學(xué)家 Kelly Gaffney 說(shuō)。“這項(xiàng)研究首次直接證明氫鍵網(wǎng)絡(luò)對(duì)能量脈沖的響應(yīng)在很大程度上取決于氫原子如何間隔開(kāi)的量子力學(xué)性質(zhì)，長(zhǎng)期以來(lái)人們一直認(rèn)為這是造成獨(dú)特屬性的原因。水及其氫鍵網(wǎng)絡(luò)。”
愛(ài)你的鄰居
到目前為止，進(jìn)行這一觀察一直具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)闅滏I的運(yùn)動(dòng)是如此微小和快速。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)使用 SLAC 的 MeV-UED 克服了這個(gè)問(wèn)題，這是一種高速“電子相機(jī)”，通過(guò)從樣品上散射強(qiáng)大的電子束來(lái)檢測(cè)細(xì)微的分子運(yùn)動(dòng)。
研究小組創(chuàng)造了 100 納米厚的液態(tài)水射流——大約比人類(lèi)頭發(fā)的寬度細(xì) 1000 倍——并用紅外激光使水分子振動(dòng)。然后他們用來(lái)自 MeV-UED 的高能電子短脈沖沖擊分子。
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