Science：物理學家新發現——氫鍵的秘密

2016年4月7日訊/生物谷BIOON/--感覺量子世界離你的日常生活很遠嗎？以下這些事情可以讓量子世界進入你的生活。拿一枚硬幣，放到緩慢滴嗒的水滴下。或者用吸管，或者用水龍頭。如果嘗試次數足夠多，你最終能讓硬幣上的水珠變成膨大的一整滴。據一項新的研究表明，水滴聚合在一起的部分原因是水分子像量子隧穿效應的小齒輪一般。

水分子由一個大的氧原子和兩個小的氫原子組成，周圍有電子圍繞。平均來看，電子圍繞氧原子的時間多於圍繞氫原子的時間，因此氧原子更傾向於帶負電，而氫原子傾向於帶正點。

如果把兩個水分子相互接近，水分子1的氧原子傾向於吸引水分子2的氫原子，這兩個原子最終會靠得很近。當把一大堆水分子放在一起，它們也會這麼相互排列--一分子的氧原子靠近旁邊另一分子的氫原子。

然後，因為分子們總在周圍跳動，他們偶爾會從一個"鄰居"旁換到另一個"鄰居"旁--好像水分子是喜歡換舞伴的舞者。整個吸引和交換舞伴的過程就是氫鍵，它也是表面張力--水分子聚集在一起而不分開蔓延的根本原因，所以水滴可以變得如此大。

但這個解釋有幾個漏洞。如果所有水分子組成一群，一個分子如何能更換舞伴而不干擾整個舞蹈？如果它們沒有足夠頻率的跳動以持續更換舞伴會發生什麼？水滴會分解嗎？

這些問題由英國劍橋大學物理學家們通過六個水分子的超冷排列得以解答。他們觀察當其中一個分子更換舞伴時會發生什麼，發現更換舞伴的不止一個分子。分子總是成雙成對，像連動齒輪。當一個水分子改變時，它釋放了一個能被另一個水分子使用的氫鍵，不會出現"無舞伴期"。他們還發現，實驗中這幾個水分子跳動不足，無法自己更換舞伴，所以研究小組轉而模擬，來看這些"齒輪"如何工作。

所有量子粒子沒有明確的位置。它們的位置實際上是一種在空間中的分布：它們在你期待它們在的位置，但它們也可能在任何位置，即使它們可能沒有足夠能量跑到那裡去。就好像你往牆上扔球，球並沒有反彈向你，而是在不破壞牆的情況下穿過了牆。球好像有一個連接你和牆另外一邊的通道。

研究結果刊登在這周發表的Science雜誌中。水分子跳動不足以更換舞伴，所以它們依靠量子隧穿效應來給分子運動上發條。它們並不是真正換舞伴，只是靠近新舞伴，迅速再換。在齒輪中一起工作的兩分子協作共同使用量子隧道，因此水分子從沒缺少舞伴。（生物谷Bioon.com）

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