富氢水效果

你还在用经典观点理解水吗?

编者按北京大学和华中科技大学的科研人员近日揭示了水的核量子效应,从全新的角度诠释了水的奥秘,为解开水的结构之谜迈出了重要一步。科研成果最近,北京大学量子材料科学中心江颖研究员课题组和王恩哥院士课题组以及物理学院李新征研究员、华中科技大学吕京涛研究员合作,在国际上率先测定了氢键的量子成分,揭示了水的核量子效应,从全新的角度诠释了水的奥秘,为解开水的结构之谜迈出了重要一步。相关研究成果于2016年4月15日刊发在国际顶级学术期刊《科学》上。人们一般认为热能是影响氢键形成和断裂的关键因素,量子效应在室温情况下只对氢键的经典相互作用有微小的修正。但实验结果证明,氢键的量子成分可远大于室温下的热能,因此氢核的量子效应足以对水的结构和性质产生显著的影响。这个发现除了有利于进一步解开水的结构奥秘之外,所有包含氢键的物质和有关氢键的领域都可以从这个新的角度去观察和思考。小编来科普“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。很多同学可能会感到很奇怪,水分子不就是由两个氢原子和一个氧原子构成的吗?但在微观的层面上,水分子之间是如何通过氢键连接而形成的一个复杂网络状结构一直是个谜,而揭示氢核的量子效应则令这个研究有了一个全新的突破口。为了更好地让感兴趣的同学理解这一科研成果,我们邀请了江颖老师为我们作实验技术及过程的介绍。我们都知道,原子核的质量比电子要大许多,一般情况下原子核的量子效应可以忽略。但氢是1号元素,核质量很小,因此氢核的活动不能仅仅用经典力学解释,亦要重视其量子特性(量子隧穿和量子零点运动)。

关于量子的特性,江颖老师为我们举了两个生动的例子:

量子隧穿:人体因为质量很大,波动性极其微弱,能够穿墙而过是概率极其小的事情;但因为微小的粒子具有较强的波动性(类似声波)可以透过墙壁,所以微小的氢核是一种有“穿墙”技能的粒子,可以有较大概率穿过高能势垒,也叫隧穿。

量子零点运动:粒子在绝对零度且没有任何外部能量激发时,从热力学角度上是完全静止的。但如果从量子力学角度计算,它是有一定的振动的。这种振动就称为零点运动,其本质上源于量子力学的一个著名概念:海森堡测不准原理。因为氢核具有较强的量子效应,它的零点运动非常明显。氢键也被认为是揭示水的结构的关键一环,考虑到其包含一定的量子成分,江颖课题组和王恩哥课题组近年来一直在进行相关研究,并在实验技术和理论方法上分别取得突破。王恩哥老师从千禧年始从事水科学的研究工作,经验十分丰富。在这次科研成果中,王恩哥课题组完成了基于第一性原理的路径积分分子动力学方法(全量子化计算)的理论部分。全量子化计算是将氢原子核和电子都当作量子处理,共同考虑和计算电子和原子核的量子效应。江颖课题组则负责该科研的实验部分,他们利用扫描隧道显微镜仪器开发了一种全新的技术:针尖增强的非弹性电子隧穿谱。这项技术相比于十八年前美国Wilson Ho院士课题组研发的传统非弹性电子隧穿谱技术,在信噪比上提高了几个数量级。利用这种技术可以获得单个水分子的振动信号,而这些振动模式可以作为灵敏的探针去感知氢核的量子运动,从而测得氢键的量子成分。针尖增强的非弹性电子隧穿谱技术大概是世界上首次通过对扫描隧道显微镜的针尖进行修饰来增强谱学信号的实验技术。那么江颖课题组最初是如何想到用特殊的原子修饰针尖从而探测水分子的表面振动的呢?一切源于一个美丽的意外——在2013年的一次实验中,江颖课题组在使用扫描隧道显微镜时,由于外界的干扰显微镜的针尖不小心撞在样品(氯化钠)表面。对于这个失误,课题组成员都有些郁闷。但让人意外的是,碰到样品的针尖不仅没有受到损坏,反而使成像的分辨率更高了,许多以前观察不到的水的轨道的细节都可以看到了。从这个意外的实验结果出发,江颖老师课题组进行了一系列控制变量的实验,最终发现氯原子修饰的针尖能够大大提高对水分子观测的信噪比和分辨率并阐明了其中的机制。江颖课题组为了水分子的精准成像做了长达三年的大量工作,最终在设法增加非弹性电子隧穿概率以观测到水的振动谱时,发生了这一“意外”,可以说是巧合,也可以说是一种必然。而且,这个技术的适用范围非常广,在今后各领域的试验检测中,都可以尝试通过不同的原子修饰针尖,从而调控探针与被探测物之间的耦合(轨道和振动对称性匹配),提高对被探测物的观测分辨率。目前,江颖课题组也在做其他针尖修饰的实验。在物理学院东楼地下的实验室里,江颖老师也给我们介绍了扫描探针显微镜。

实验室里的扫描探针显微镜上图中银色的柱状管内含液氦,能够使管内的温度保持在5k(接近绝对零度),使水分子能够相对稳定地被“冻”在衬底上。同时低温环境也将热能尽量减小,使得量子效应能被凸显出来。不仅如此,扫描探针显微镜的安放也很讲究。江颖老师自2010年初回国以后,作为物理学院量子材料科学中心首个实验领域的老师,他亲自参与了物理学院东楼(实验楼)的设计。“所以我作为一个门外汉,就不务正业地做了一下土建和基建的东西,当时也没办法,想法就是赶快建起来,做实验。”为了避免地铁运行的振动对实验造成干扰,机器放置在与地面完全隔离的重十吨的大石块上,加上气腿和涡流减振等设备,共有三个层面的防震措施。至于为什么不建在楼上?因为建筑物是会摇晃的呀。

做手势解释建筑会摇晃的江颖老师(GIF)

同时,江颖老师也展示了他们自主设计研发的机器,是一个激光耦合的超高真空扫描隧道显微镜,真空程度几乎和宇宙相同,可以说里面就是一个“小宇宙”。近期,江颖老师的实验室正打算把光学系统和显微镜系统组合在一块进行实验,希望能把显微镜拍照的速度提升到飞秒等级(皮秒的一千分之一),以捕捉到更多氢核量子运动的细节。

江颖实验室自主研发的超高真空扫描隧道显微镜

更多的科研细节Q:江颖老师和王恩哥老师的两个课题组是怎么开始合作的呢?这是一个历史悠久的故事。2010年初,江颖老师和王恩哥老师有一个共同设计的项目,是基金委的一个关于水科学的重大研究项目。通过了这个大项目,他们走到了一块儿。王恩哥老师的团队从2000年开始做水科学的研究,经验丰富。江颖老师及其课题组则从2012年底开始,在此之前他们做的是单分子探测技术,正好能应用上。江颖老师表示,他认为他们的探针技术和王恩哥老师团队的基于第一性原理的从头计算的计算方法是匹配度非常高的组合和选择——既能定性,又能定量。因为江颖课题组的实验结果多数是单分子层面的,而多分子的计算量相较起单分子是呈几何级数增长的,因此他们的合作大大的减小了计算的难度。同时,合作之后,关于该项目的实验结果和理论结果能即时的进行互相对照、验证和处理。Q:两个课题组间怎样保持联系呢?通常采用点对点的交流形式,即每位同学在对方的课题组内都有对应的通讯人。江颖老师组内的彭金波同学在研究过程中一般使用微信或 QQ和对方进行即时的反馈和互动。

课题组成员彭金波实验方法的原理和理论方法的原理有很多不同的地方,频繁的交流能够一定程度上打破这个隔阂,进而提高实验的效率。“最开始困难很大,但慢慢地就能互相沟通,解释。”江颖老师说,“最后,我们发个图给他们,他们不用问,就知道这个图是什么意思。我们做实验的(人员)也是这样,也不了解他们进行计算的细节,(所以)我们同学,包括我会去学习了解他们的方法。”虽然没有办法做到百分百的互相理解对方,但江颖老师觉得此举很有必要。“实验和计算就应该有这样的互动,能相互启发。”江颖老师说。抱着这样的积极态度,也经历了循序渐进的过程,两个课题组在共同发表第一篇文章之后,合作渐入佳境,愈发默契。除了王恩哥课题组、江颖课题组、北京大学物理学院李新征研究员,华中科技大学吕京涛教授亦参与其中。当问及和校外学者如何沟通时,该论文的第一作者,北大直博生郭静则表示:“平时我们以邮件沟通为主,碰到紧急问题或是突然有好的想法,会直接电话沟通。”Q:该科研成果进一步发展的话,在生活中的应用?这是一个非常基础(fundamental)的发现。因此,这个研究成果不仅是对研究水结构和物性的一个突破,所有包含氢键的物质和有关氢键的领域都可以从这个新的角度去观察和思考,进一步解释生活中的各种现象。因此,无论在生活中还是物理、化学、生物、环境科学、材料科学中,这一发现都有巨大的应用前景。比如,我们都知道人体内含有百分五十到百分之八十的水,当揭示了氢键的量子效应后,我们能更好地理解人体内涉及质子转移的化学反应机理;又比如说,我们可以通过控制量子效应对水和周围局部环境的相互作用的影响提高水的净化和海水淡化的效率;还有同位素的筛选;水的光解…在此不一而足。总而言之,它的应用前景值得期待。结语离开江颖老师的实验室后,小编们都感慨万分:理论方法的不断突破与高新技术的不断实现都离不开科研人员日复一日的付出和努力。在博士生彭金波的电脑桌前,有一张A4大小的纸张,上面是手写的笔迹:每天需有明确的目标和计划,并专心致志地去实现它。下一步行动是什么?纸的上方画着两个简单但很传神的笑脸。科研或许是一条漫长且艰苦的道路,但如果抱着热爱的心和严谨的科学精神,亦未尝缺乏乐趣。在此热烈祝贺北京大学量子材料科学中心江颖研究员课题组和王恩哥院士课题组、物理学院李新征研究员、华中科技大学吕京涛研究员以及所有为该科研项目付出努力的人员,你们在科学研究道路上的精益求精和克服困难的精神值得每一位北大学子学习!同时,亦祝愿学术界的科研人员今后能百尺竿头,更进一步!封面图解: 左图为利用扫描隧道显微镜测量水的量子效应的示意图,由于量子力学的不确定性原理,水分子的氢原子表现出显著的零点运动。右图为单个水分子的非弹性电子隧穿谱,从中可分辨水分子的拉伸、弯曲和转动等振动模式,这些振动可以作为灵敏的探针来探测氢核的量子运动对氢键的影响。

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