物理學家發現水分子的新物態

科技 04-25

物理學家發現水分子的新物態

研究者發現綠柱石中的水分子有著奇異的特性。(Jeff Scovil)

下屬美國能源部(DOE)的橡樹嶺國家實驗室(ORNL)發現了固液氣三態之外水的另一種物態。水分子處在讓經典物理失效的極度壓縮的環境下，體現出了量子效應。

該團隊的研究成果發表於最新一期的《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

物理學家發現水分子的新物態

普通情況下的水分子示意圖。(CSI)

正常情況下，水分子中氫原子和氧原子之間只隔著約1埃(納米的十分之一)的距離。物理學家們發現，如果將一個水分子塞入綠柱石(beryl)內部5埃寬，9埃長的六稜柱空隙之中，該水分子會展現出量子隧穿效益，成為離域分子。

量子隧穿效應(quantum tunnelling effect，又稱量子穿隧效應)是一種量子特性，指微觀粒子直接穿過它們不夠能量跨越的「山峰」。簡單的例子是甲基(-CH3，甲烷分子去掉一個氫原子)。在這個三角錐形狀的基團中，氫原子會無視阻力，隧穿至相鄰頂點的位置。

對水分子來說，在經典物理學中，只要氫原子不出現能級躍遷，V型的水分子在六邊形空隙中呆久了會擺出對應壁面的方向。但我們已經踏入了量子的世界。

此處的氫原子脫離了氧原子，通過隧穿效應，在附近所有可能的方向上同時均勻分布開來。溫度越高(從5K到50K)，這種現象越明顯。

此時情況如下圖左所示。綠柱石晶體(除淺藍以外的顏色)中有個六邊形的空間，一個氫原子以旋轉的方式同時存在於中心的六個位置(淺藍)，圍繞著中央的一個氧原子(未展現)。

物理學家發現水分子的新物態

水分子新物態示意圖。右：氫原子的電荷密度，藍色最低，黃色最高，體現了一個氫原子同時存在於六個頂點的位置。(A. I. Kolesnikov et al.)

ORNL和英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室(RAL)的物理學家們分別使用低能級和高能級中子散射法觀測到了這種情況。藉助先進的散裂中子源(spallation neutron source)這種「超級顯微鏡」，他們得以用不帶電的中子來觀察這種亞原子級結構。

研究者表示，這樣狹小的空隙常常出現在土壤、某些礦物以及細胞壁之中。他們指出，氫原子在這種情況下的分布形式使得水分子失去了偶極矩。

水向來被人們當成一種「萬能溶劑」：V型水分子兩頭的氫原子帶正電荷，中央的氧原子帶負電荷，使得水分子很容易與其它原子或分子建立化學鍵。但在這種尚未被命名的新物態中，水分子電荷的平衡已經被打亂，失去了建立這類化學鍵的能力。所以說，水的這種新物態證明了水並不是一種宇宙通用「萬能溶劑」。

來源：煎蛋

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