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新实验,打开研究水的新窗口!

水(H₂O)是自然界中最丰富、最重要的液体。但出乎意料的是,人们对它的理解却非常有限。直至今日,科学家仍然难以对它表现出的许多奇怪行为给出恰当的解释。比如大多数液体会随着温度的降低密度变得更大,而水则不是这样——它的最大密度大约出现在略高于冰点的4℃,这也就是为什么在寒冷的冬天,湖泊、河流、海洋中

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  (H₂O)是自然界中最丰富、最重要的液体。但出乎意料的是,人们对它的理解却非常有限。直至今日,科学家仍然难以对它表现出的许多奇怪行为给出恰当的解释。

  比如大多数液体会随着温度的降低密度变得更大,而水则不是这样——它的最大密度大约出现在略高于冰点的4℃,这也就是为什么在寒冷的冬天,湖泊、河流、海洋中的水从表面开始向下结冰,让在水中生活的生物在寒冷的冬天也能生存。不仅如此,水还具有高得不寻常的表面张力,昆虫能够在其表面行走。再比如,水有着强大的储热能力,这一特性维持了海洋温度的稳定……

  从中学的课本上,我们知道每个水分子都包含一个氧原子和两个氢原子。一个水分子中带正电的氢原子,会与相邻水分子中带负电的氧原子之间形成氢键,如果没有氢键,水在室温下就会是气体而不是液体。一张由氢键构成的“网络”能够将这些水分子很好地连接在一起。

  科学家认为,水的种种异常特性,都源自于这种连接良好的氢键网络,它是水的诸多令人费解的性质背后的驱动力。如此一来,若想要更好地理解氢键,以及理解许多涉及到溶液的化学反应的本质,那么精确地描述水分子的超快振动运动是至关重要的。

  近日,一篇发表在《自然》杂志上的研究首次报告了当水分子被激光激发时,水分子中的氢原子是如何推拉邻近的水分子的。

  一直以来,科学家并不能直接观察到水分子如何与其相邻的分子相互作用,因为氢键的运动既快速又微小,因此要进行这样的观察是一个巨大的挑战。目前,与液态水的振动弛豫有关的知识,大多都建立在超快光谱实验的基础之上。然而,这些实验不能直接分辨原子位置的运动,而且需要将光谱动力学转化为氢键动力学。

  在新的实验中,研究人员通过使用斯坦福直线加速器中心(SLAC)的仪器 MeV-UED 克服了这个问题。MeV-UED 是一种高速的“电子摄像机”,它能够通过向样品散射强大的电子束来探测分子的细微运动,利用这种方法,研究人员测量了液态水中由于氢键的伸缩振动所激发的超快结构响应

  研究人员创造了一些粗细程度为 100 纳米的液态水喷射流,这个大小大约是人类头发粗细的1/1000。他们用红外激光激发水分子,使水分子振动,然后用 MeV-UED 产生的高能电子短脉冲轰击这些分子。这个过程可以产生高分辨率的分子原子结构变化的图像,将这些图像连接在一起,就能形成了一个展示了水分子网络如何对光作出反应的定格动画电影。

   展示了水分子被激光击中后的反应的动画。当激发态的水分子开始振动时,它的氢原子(白色)将邻近水分子中的氧原子(红色)拉近,然后将它们推开,扩大分子之间的空间。 动图来源:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

  这些图像聚焦于三组水分子上,从图像中可以看出,当一个激发态的水分子开始振动时,它的氢原子会将邻近水分子中的氧原子拉得更近,然后因为最新产生的强度将它们推开,扩大分子之间的空间。具体来说,研究人员观察到在 80 飞秒的时间尺度上,氢键收缩大约为 0.004 纳米,随后会在大约 1 皮秒的时间尺度上发生热化。这是科学家首次能够直接地观察这些分子是如何运动的。

  一个水分子如何与和它相邻的分子相互作用,一直被认为是描述水的奇异特性的理论模型中缺失的一环。现在,新的实验揭示了可能支撑了水的奇异特性的微观起源的关键特征,它让科学家终于可以看见氢键的运动,这或许能让我们更好地理解水是如何帮助蛋白质在生物体中发挥作用的。

  研究人员希望利用这种新的方法能够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,并最终了解这些性质在许多化学和生物过程中所起的关键作用。他们表示,新的实验为水的研究打开了一扇新的窗户,

  接下来,研究人员希望能够将这些运动与更广阔的图景联系起来,从而有望阐明水是如何导致地球上生命的起源和存在的,并为可再生能源方法的发展提供新的启示。

  #创作团队:

  文:小雨

  #参考来源:

  https://www6.slac.stanford.edu/news/2021-08-25-first-scientists-capture-quantum-tug-between-neighboring-water-molecules.aspx

  https://www.nature.com/articles/s41586-021-03793-9

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