物理学家直接观察液体水分子的原子运动

来自美国和瑞典的国际实验物理学家团队首次直接观察水分子拖动的氢原子和推动邻近分子的激发亮度。

杨等人。第一次直接观察到被激光激发的液态水分子中的原子运动。图像信用:Greg Stewart / Slac National Accelerator实验室。

.第一次直接观察到被激光激发的液态水分子中的原子运动。图像信用:Greg Stewart / Slac National Accelerator实验室。

每个水分子包含一个氧原子和两个氢原子,一个分子中带正电的氢原子和相邻分子中带负电的氧原子之间的氢键网将它们连接在一起。

这种复杂的网络是水的许多令人费解的特性背后的驱动力,但直到最近,物理学家还无法直接观察水分子如何与其相邻分子相互作用。

“氢原子的低质量突出了它们的量子波状行为,”斯坦福国会加速实验室斯坦福脉冲研究所的物理学家凯莉盖夫尼博士说。

“本研究是第一个直接证明氢键网络对能量脉冲的响应界定在氢原子间隔开的量子机械性质上,这已经长期建议负责独特的属性水及其氢键网络。“

到目前为止,由于氢键的运动是如此的微小和快速,要进行这样的观察一直是一个挑战。

新实验通过使用越来越多的问题线性的MeV-UED,一个高速的“电子照相机”检测通过向样品散射一束强大的电子束来实现分子的微妙运动。

作者创造了100纳米厚的液态水射流,并用红外激光使水分子振动。

然后,他们用MeV-UED产生的高能电子短脉冲轰击这些分子。这产生了高分辨率的分子原子结构变化的快照,它们串在一起,形成了一个定格动画电影,展示了水分子网络如何对光作出反应。

这些照片聚焦于三个水分子组成的一组,揭示了当一个激发态的水分子开始振动时,它的氢原子将邻近水分子中的氧原子拉得更近,然后用新发现的强度将它们推开,扩大了分子之间的空间。

斯德哥尔摩大学研究员安德斯·尼尔森(Anders Nilsson)教授说:“尽管人们一直假设所谓的核量子效应是许多水的奇怪性质的核心,但这个实验标志着首次直接观测到它。”

“很长一段时间以来,研究人员一直试图利用光谱学技术来了解氢键网络,”清华大学研究员杨杰教授说。

“这项实验的美丽是我们首次能够直接观察这些分子如何移动。”

发现出现在今天的杂志上自然

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杰杨.直接观察液态水中超快氢键强化。自然在线发表于2021年8月25日出版;DOI:10.1038 / s41586-021-03793-9

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