來源：原理

水（H₂O）是自然界中最豐富、最重要的液體。但出乎意料的是，人們對它的理解卻非常有限。直至今日，科學家仍然難以對它表現出的許多奇怪行爲給出恰當的解釋。

比如大多數液體會隨着溫度的降低密度變得更大，而水則不是這樣——它的最大密度大約出現在略高於冰點的4℃，這也就是爲什麼在寒冷的冬天，湖泊、河流、海洋中的水從表面開始向下結冰，讓在水中生活的生物在寒冷的冬天也能生存。不僅如此，水還具有高得不尋常的表面張力，昆蟲能夠在其表面行走。再比如，水有着強大的儲熱能力，這一特性維持了海洋溫度的穩定……

從中學的課本上，我們知道每個水分子都包含一個氧原子和兩個氫原子。一個水分子中帶正電的氫原子，會與相鄰水分子中帶負電的氧原子之間形成氫鍵，如果沒有氫鍵，水在室溫下就會是氣體而不是液體。一張由氫鍵構成的“網絡”能夠將這些水分子很好地連接在一起。

科學家認爲，水的種種異常特性，都源自於這種連接良好的氫鍵網絡，它是水的諸多令人費解的性質背後的驅動力。如此一來，若想要更好地理解氫鍵，以及理解許多涉及到溶液的化學反應的本質，那麼精確地描述水分子的超快振動運動是至關重要的。

近日，一篇發表在《自然》雜誌上的研究首次報告了當水分子被激光激發時，水分子中的氫原子是如何推拉鄰近的水分子的。

一直以來，科學家並不能直接觀察到水分子如何與其相鄰的分子相互作用，因爲氫鍵的運動既快速又微小，因此要進行這樣的觀察是一個巨大的挑戰。目前，與液態水的振動弛豫有關的知識，大多都建立在超快光譜實驗的基礎之上。然而，這些實驗不能直接分辨原子位置的運動，而且需要將光譜動力學轉化爲氫鍵動力學。

在新的實驗中，研究人員通過使用斯坦福直線加速器中心（SLAC）的儀器MeV-UED克服了這個問題。MeV-UED是一種高速的“電子攝像機”，它能夠通過向樣品散射強大的電子束來探測分子的細微運動，利用這種方法，研究人員測量了液態水中由於氫鍵的伸縮振動所激發的超快結構響應。

研究人員創造了一些粗細程度爲100納米的液態水噴射流，這個大小大約是人類頭髮粗細的1/1000。他們用紅外激光激發水分子，使水分子振動，然後用MeV-UED產生的高能電子短脈衝轟擊這些分子。這個過程可以產生高分辨率的分子原子結構變化的圖像，將這些圖像連接在一起，就能形成了一個展示了水分子網絡如何對光作出反應的定格動畫電影。

展示了水分子被激光擊中後的反應的動畫。當激發態的水分子開始振動時，它的氫原子（白色）將鄰近水分子中的氧原子（紅色）拉近，然後將它們推開，擴大分子之間的空間。| 動圖來源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

這些圖像聚焦於三組水分子上，從圖像中可以看出，當一個激發態的水分子開始振動時，它的氫原子會將鄰近水分子中的氧原子拉得更近，然後因爲最新產生的強度將它們推開，擴大分子之間的空間。具體來說，研究人員觀察到在80飛秒的時間尺度上，氫鍵收縮大約爲0.004納米，隨後會在大約1皮秒的時間尺度上發生熱化。這是科學家首次能夠直接地觀察這些分子是如何運動的。

一個水分子如何與和它相鄰的分子相互作用，一直被認爲是描述水的奇異特性的理論模型中缺失的一環。現在，新的實驗揭示了可能支撐了水的奇異特性的微觀起源的關鍵特徵，它讓科學家終於可以看見氫鍵的運動，這或許能讓我們更好地理解水是如何幫助蛋白質在生物體中發揮作用的。

研究人員希望利用這種新的方法能夠深入瞭解氫鍵的量子性質，以及它們在水的奇異性質中所起的作用，並最終了解這些性質在許多化學和生物過程中所起的關鍵作用。他們表示，新的實驗爲水的研究打開了一扇新的窗戶，

接下來，研究人員希望能夠將這些運動與更廣闊的圖景聯繫起來，從而有望闡明水是如何導致地球上生命的起源和存在的，併爲可再生能源方法的發展提供新的啓示。

#創作團隊：

文：小雨

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面來源：public domain picture