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结构与动力学

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物理学家发现水分子的新状态

氢通道:绿柱通道中捕获的水分子

困在微小通道中的水分子以六种不同构型的模糊量子叠加形式存在,与自由分子的结构几乎没有相似之处。那是在美国和英国的物理学家的发现,他们使用中子散射绘制了矿物绿柱石中捕获的水分子中氢原子的位置图,从而揭示了原子在这六种构型之间隧穿。研究人员还发现有证据表明,与普通水不同,被困分子的电偶极矩为零。该研究可以揭示水被限制在微小空间(例如活细胞膜中)时的行为。

隧穿是纯粹的量子力学现象,粒子可以穿过能量屏障而没有足够的能量爬过屏障。研究人员已经看到氢原子从一个分子的一部分隧穿到另一部分。例如,在甲基和氨基团中,隧穿表现为氢原子围绕分子轴的旋转。现在, 亚历山大·科列斯尼科夫(Alexander Kolesnikov) 美国和英国橡树岭国家实验室的科学家及其同事发现,氢原子在单个水分子中隧穿,而水分子被困在晶体矿物绿柱石的微小通道中。

小渠道

这些通道的宽度约为0.5 nm,这意味着它们一次只能包含一个水分子。以前的太赫兹光谱研究表明,在被绿柱石包裹的水中发生了氢的旋转隧穿,现在,Kolesnikov及其同事在两个独立的中子实验中测量了这种效应,其中一个是在 散裂中子源 (SNS)位于橡树岭,另一处位于 伊斯兰国 英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的中子源。

在SNS,团队发射了一束低能量“cold”被绿柱石困住的水分子的中子。当它们散射时,中子可以通过耦合到氢原子旋转状态之间的跃迁而获得或损失能量,从而导致具有七个不同峰的中子能谱。实验是在5-50 K之间的温度下进行的,随着样品变热,峰收缩。如果峰值与隧穿有关,这是可以预期的,因为随着温度的升高,原子增加的热运动将冲走任何量子隧道效应。

六重对称

绿柱石通道类似于六角形的管,研究小组认为,V形水分子(两个氢原子连接到一个氧顶点上)将位于其氧原子在管中心的位置,并且两个氢原子指向上方和下方六角形平面(见​​图)。 V可以有六种不同的定向方式,每种方式间隔60°旋转。尽管这些配置中的每一个之间都有一个能量屏障,但是氢原子可以从一个方向隧穿到另一个方向,从而产生一系列旋转状态。研究小组进行的计算表明,中子散射观察到的七个峰对应于这些旋转隧穿状态之间的跃迁。

研究人员还对氢原子的定位感兴趣,他们使用英国ISIS中子源的深层非弹性中子散射(DINS)测量了氢原子的位置。通过向被绿柱石包裹的水分子发射一束高能中子,并测量中子与单个氢原子之间的动量传递,研究小组确定了原子的动量分布和动能。 Kolesnikov及其同事发现,原子的动能约为在非封闭水中测得的动能的70%。他们得出结论,这意味着在被绿柱石捕获的水中,原子的位置比在正常水中的原子位置更容易被抹去。

写在 体检信,研究小组得出结论认为,被困分子是“水分子的新状态”–一个模糊的环,具有六重旋转对称性。研究小组认为,这样的分子不会有电偶极矩。无约束的水分子具有电偶极矩,该偶极矩负责水’熟悉的特性,例如相对较高的沸点和溶解许多不同物质的能力。因此,这项新的研究可以提供重要的线索,说明当水被限制在诸如活细胞膜之类的微小空间中时,水的行为如何不同。

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者