时间：2016年04月27日 信息来源：湖南大学新闻网 点击：次 【 加入收藏 】【 字体：大 中 小 】

 

“水的结构是什么？”这是《科学》杂志在创刊125周年的特刊中提出的125个最具挑战性的科学问题之一。近日，我校物理与微电子科学学院助理教授冯页新所参与的研究课题首次在单键水平上描述了水-NaCl界面上形成的氢键的核量子效应，从全新的角度诠释了水的奥秘。4月15日，该研究成果在《科学》杂志上以report文章的形式发表，论文题目为《Nuclear quantum effects of hydrogen bonds probed by tip-enhanced inelastic electron tunneling》（针尖增强非弹性电子隧穿探测氢键的核量子效应）。冯页新为文章的并列第一作者。         水的结构之所以如此复杂，其中一个很重要的原因就是缘于水分子之间的氢键相互作用。氢键在自然界中无处不在；它在物理、化学、生物、能源和材料等很多领域都起到重要的作用。人们对氢键的理解经历了漫长和曲折的过程，目前还在不断完善中。通常人们认为氢键主要源于经典的静电相互作用。然而，近年来大家逐渐意识到氢原子核的量子效应对于理解氢键的本质有着不可忽视的作用，氢键体系行为的复杂性很大程度上来自于其中的核量子效应，而“氢核的量子化研究在实验和理论上都具有非常大的挑战性”。另一方面，以往对氢键的研究都集中在凝聚态体系中进行，观测的是大量氢键的集体行为和平均效应。而氢键的核量子效应对周围环境高度敏感，对大量氢键进行传统的谱学测量难以完全捕捉局域的信息，因此，研究单个氢键的核量子效应对理解氢键、特别是它的量子属性有十分重要的意义。                   图1 针对水-NaCl界面上单个氢键的经典（分子动力学）与量子（路径积分分子动力学）模拟的快照。   该研究工作在国际上首次获得了单个水分子的高分辨振动谱，并由此测得了单个氢键的强度。通过可控的同位素替换实验，并结合全量子化计算模拟，研究者们发现氢键的量子成分可远大于室温下的热能，表明氢核的量子效应不只是对经典相互作用的简单修正，其足以对水的结构和性质产生显著影响。该研究由北京大学主导，其中关键性的技术突破来自于北京大学江颖教授的研究组开发的基于低温STM的针尖增强非弹性电子隧穿谱技术[tip-enhanced inelastic electron tunneling spectroscopy(IETS) based on a low-temperature scanning tunneling microscope (STM)]，该技术解决了长期存在的传统IETS技术在探测弱分子间相互作用的不足的问题。华中科技大学吕京涛教授基于非平衡格林函数方法的输运计算对IETS信号进行分析，为实验结果的准确解读提供了支持。物电院冯页新助理教授、北京大学王恩哥院士、李新征教授基于全量子模拟对单个氢键的同位素效应进行了理论研究，解释了实验中观察到的氢键核量子效应受周围环境影响的行为。郭静、吕京涛和冯页新是文章的并列第一作者，王恩哥、江颖和李新征是文章的通讯作者。                     图2 氢键的核量子效应导致的键能随环境的变化规律。   冯页新助理教授于2015年加入我校物理与微电子科学学院，得到学院的大力资助；此前他分别在南开大学、北京大学量子材料中心进行计算凝聚态物理方面的研究，包括路径积分分子动力学模拟、表面物理、功能材料设计等。   论文链接：http://science.sciencemag.org/content/352/6283/321   责任编辑 蒋晶丽