北大量子材料科学中心江颖、王恩哥等在《科学》发文首次揭示水的量子效应

 新浦京科技     |      2019-12-12

2019年6月2日,“创新引领未来”未来青年论坛在京举办。北京大学博雅特聘教授、未来论坛青创联盟成员江颖在全体大会上作了题为《熟悉而又陌生的水世界》的演讲。场上,一幅幅高分辨率显微图像刷新了我们对水的认知。我们日常所见的水,竟然是世界上最复杂的物质之一。这究竟是怎么回事?

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。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》(奥门新浦京网址,Science DOI: 10.1126/science.aaf2042)上。

在大会间隙,腾讯科普对江颖教授进行了采访。江颖教授就水的性质、水的研究方法、研究意义等作了简单介绍,并分享了对于中国制造、下一个科学突破、美国对华政策改变等问题的看法。

“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。水的结构之所以如此复杂,其中一个很重要的原因就是缘于水分子之间的氢键相互作用。人们通常认为氢键的本质为经典的静电相互作用,然而由于氢原子核质量很小,其量子特性(量子隧穿和量子涨落)往往不可忽视,因此氢键同时也包含一定的量子成分。氢核的量子效应对氢键相互作用到底有多大影响?或者说氢键的量子成分究竟有多大?这个问题对于理解水/冰的微观结构和反常物性至关重要。但是,氢核的量子化研究无论对于实验还是理论都非常具有挑战性。

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为实现对氢核量子特性的精确探测和描述,江颖课题组和王恩哥课题组近年来在相关实验技术和理论方法上分别取得突破。他们成功发展了对于氢核敏感的超高分辨扫描探针显微术,开发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),实现了单个水分子内部自由度的成像和水的氢键网络构型的直接识别【Nature Materials 13, 184(2014)和Nature Communications澳门新浦京手机版, 5, 4056 (2014))】,并在此基础上探测到氢核的动态转移过程【Nature Physics 11, 235 (2015)】。

江颖:北京大学博雅特聘教授、未来论坛青创联盟成员

最近,他们又基于扫描隧道显微镜研发了一套“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术,突破了传统非弹性电子隧穿谱技术在信噪比和分辨率方面的限制,在国际上首次获得了单个水分子的高分辨振动谱,并由此测得了单个氢键的强度。通过可控的同位素替换实验,并结合全量子化计算模拟,他们发现氢键的量子成分可远大于室温下的热能,表明氢核的量子效应不只是对经典相互作用的简单修正,其足以对水的结构和性质产生显著的影响。进一步深入分析表明,氢核的非简谐零点运动会弱化弱氢键,强化强氢键,这个物理图像对于各种氢键体系具有相当的普适性,澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质。

日常所见的水,竟然是世界上最复杂的物质之一

《科学》杂志的审稿人盛赞该工作是“实验的杰作(tour de force experiments)”“一定会引起谱学界的广泛兴趣(they are certainly of interest to the spectroscopy community)”“为研究氢核量子效应提供了一个绝佳的平台(this measurement is unique and provides a fantastic opportunity to examine the contribution of quantum motion of the proton)”。

江颖教授介绍说,水有很多反常性质。例如,结冰之后体积反而变大,热水比冷水更容易结冰,超级大的比热和表面张力等。近些年来,人们开始意识到,很多反常特性实际上源自通常被忽略的水的量子效应,这种效应可以从水分子的结构中找到根源。

江颖研究员和王恩哥院士分别负责该工作的实验和理论部分,北大直博生郭静、博士后冯页新和华中科技大学吕京涛教授是文章的共同第一作者,北大江颖研究员、王恩哥院士和李新征研究员为文章的共同通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究发展计划、“万人计划”青年拔尖人才支持计划和量子物质科学协同创新中心的经费支持。

我们都知道,水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的带夹角的共价结构。但事情显然没有这么简单。其实,由于氢原子核质量非常小,水分子中的氢与电子一样并没有确定的位置,它在空间中呈现一种概率分布(量子力学的不确定原理)。这就是一种 “量子效应”。水具有非常强的核量子效应。

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非但如此,水分子之间存在一种特殊的化学键:氢键,氢键很容易断开与形成,表现出明显的协同性,一个氢键受到扰动,其他氢键都会响应。而且氢键具有方向性,只有当氢指向氧的时候才会成键。这让水的性质变得非常奇怪。

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。(图片设计:梁明诚)

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相关链接:

图注:水具有许多令人费解的反常特性

【新闻直播间】我国科学家揭示水的全量子效应

想要理解水的反常性质,最直接的方法就是用显微镜直接观察水的分子结构和氢键构型,了解它的量子效应。

光明日报:我国科学家揭示水的全量子效应

水的量子效应从何而来?

新华社:我国科学家在国际上首次揭示水的核量子效应

江颖告诉腾讯科普,量子效应实际上有很多种,一般说的量子效应主要是指电子的量子效应。比如说量子隧穿效应(由电子等微观粒子的波动性产生的穿越位势垒的行为),另外它有很强的零点运动或者叫量子涨落(在绝对零度也拥有能量)。此外,原子核本身也会有量子效应。当原子核跟电子尺寸差不多,或者质量差不太多的时候,例如氢原子核,就会表现出明显的量子效应。

科技日报:水的核量子效应首次揭示

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中国新闻网:中国科学家最新研究揭示“水的奥秘”

图注:微观粒子的量子隧穿效应,相当于在经典物理中,一个小球即使不能蹦到山顶的高度,也有一定概率能穿过小山到达另一边;在宏观上,表现为两块点接触的材料之间也可以有电流通过;来源:维基百科

当这些电子、原子核排在一块,形成多体的固体或液体结构时,个体的量子效应集合在一起,就会显现出一种集体的量子行为。这种量子行为会影响材料的宏观性质,就是我们说的量子材料。研究量子材料,就是研究这些由电子和原子核组成的多体结构的宏观量子体现。

水的许多令人费解的反常性质就是一种宏观量子体现。研究水的量子效应,可以让我们更好地理解和利用水,并有可能挖掘其更多未知的特性。

扫描探针显微镜,像“盲人摸象”一样摸出材料的表面形态

江颖的课题组主要用扫描探针显微镜来研究各种低维量子材料。这是一种不同于传统光学或电子显微镜的成像设备。“它的原理就像盲人摸象”,江颖打了个比方说,“一般的显微镜是用眼睛去看,而扫描探针显微镜像是用手去摸”。

对于光学显微镜来说,它利用光的折射和反射成像,其分辨率会受到衍射极限的限制,一般最多能看到几十纳米。但如果想看原子、分子的话,它的尺度要比这小两个量级以上,在埃的量级。光学显微镜是难以分辨这些原子、分子的。这就必须用另外一种显微镜,叫扫描探针显微镜。

扫描探针显微镜通过探针在材料表面的移动,来描绘材料的样貌。具体而言,通过监测探针与材料之间的隧道电流(由前述量子隧穿效应产生,大小与距离有关),来“摸”出材料的表面形态;另一种方法是通过监测探针与材料之间的斥力或引力,来“摸”出材料的表面形态。前者称为扫描隧道显微镜,可用于探测导体或半导体,后者称作原子力显微镜,可以探测绝缘材料。二者的分辨率都可以达到原子级。

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图注:扫描隧道显微镜工作原理,加电压后探针和材料之间会产生隧道电流,电流大小会随针尖到材料之间的距离而变化,移动探针即可得到材料表面的三维形貌;来源:腾讯科普现场摄

经过特殊的升级改造,实现原子核的量子效应探测

经过多年积累,江颖课题组在原有扫描探针显微镜的基础上进行升级改造,大幅提高了扫描探针显微镜的分辨率,于2014年首次获得了水分子的内部结构成像,并于2016年在世界范围内首次探测到了原子核的量子效应,刷新了人们对水和其他轻元素材料体系的认知。

但这有何特别之处呢?江颖告诉腾讯科普,“在扫描探针显微镜领域,一般来说看电子是很容易的,因为电子在原子核外面,所以像穿衣服的人,看的首先都是外面的衣服,但是原子核被电子包裹在里面,想要看到原子核的信息,通常来说是很困难的”,所以这在技术上有很大的挑战性。

经过一系列的创新性设计,比如,设计制作新一代qPlus型原子力传感器(一种高灵敏度力和电流的传感器),借助高阶静电力,江颖课题组已经实现了对氢原子核的直接成像和定位。在会场上,我们还看到了课题组刚拍到的、迄今最高分辨率的水分子结构图像。

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