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 華氏度時密度最大，剛好高于其冰點。這就是為什么冰會漂浮到水杯頂部，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，允許昆蟲在其表面行走，并且具有很大的熱量儲存能力，可以保持海洋溫度穩(wěn)定。
現(xiàn)在，由能源部 SLAC 國家加速器實驗室、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隊首次直接觀察到水分子中的氫原子在被激光激發(fā)時如何牽引和推動鄰近的水分子.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，但這項實驗標志著它首次被直接觀察到。”大學(xué)。“問題是這種量子效應(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)。”
每個水分子包含一個氧原子和兩個氫原子，一個分子中帶正電的氫原子和相鄰分子中帶負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。這個錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)是水的許多無法解釋的特性背后的驅(qū)動力，但直到最近，研究人員還無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。“這項研究首次直接證明氫鍵網(wǎng)絡(luò)對能量脈沖的響應(yīng)在很大程度上取決于氫原子如何間隔開的量子力學(xué)性質(zhì)，長期以來人們一直認為這是造成獨特屬性的原因。水及其氫鍵網(wǎng)絡(luò)。”
愛你的鄰居
到目前為止，進行這一觀察一直具有挑戰(zhàn)性，因為氫鍵的運動是如此微小和快速。該實驗通過使用 SLAC 的 MeV-UED 克服了這個問題，這是一種高速“電子相機”，通過從樣品上散射強大的電子束來檢測細微的分子運動。
研究小組創(chuàng)造了 100 納米厚的液態(tài)水射流——大約比人類頭發(fā)的寬度細 1000 倍——并用紅外激光使水分子振動。然后他們用來自 MeV-UED 的高能電子短脈沖沖擊分子。
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