一种新的光谱学方法揭示了水的量子秘密
一种新的光谱学方法揭示了水的量子秘密
水是生命的源泉，但其复杂的氢键网络一直是科学界的未解之谜。近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究团队开发出一种新的光谱学方法——相关振动光谱（CVS），首次实现了对液态水中参与氢键网络的分子行为的直接测量。这一突破性进展不仅揭示了水分子间量子效应的奥秘，更为材料科学和生命科学研究开辟了新的视角。
博士生 Eksha Chaudhary 使用相关振动光谱装置。图片来源：Jamani Caillet
水分子（H₂O）通过氢键相互作用形成复杂的三维网络，这种网络赋予了水许多独特的物理和化学性质。然而，由于氢键网络的动态性和复杂性，其核心的量子现象一直只能通过理论模拟来理解。现在，由EPFL工程学院基础生物光子学实验室负责人Sylvie Roke领导的研究团队，通过CVS技术，首次实现了对这种量子效应的直接测量。
CVS：区分相互作用与非相互作用分子的关键
CVS技术的核心优势在于能够区分参与氢键网络的分子（相互作用分子）和随机分布的非氢键分子（非相互作用分子）。相比之下，传统的光谱学方法只能同时报告两种分子类型的测量值，无法进行区分。
Roke解释说：“目前的光谱学方法测量的是系统中所有分子的振动引起的激光散射，因此你必须猜测或假设你所看到的是由于你感兴趣的分子相互作用。使用CVS，每种不同类型分子的振动模式都有自己的振动频谱。而且由于每个光谱都有一个独特的峰，对应于水分子沿H键来回移动，因此我们可以直接测量它们的特性，例如共享了多少电子电荷，以及H键强度如何受到影响。”
实验原理与应用
为了区分相互作用和非相互作用的分子，科学家们使用近红外光谱中的飞秒（千万亿分之一秒）激光脉冲照射液态水。这些超短的光爆发在水中产生微小的电荷振荡和原子位移，从而触发可见光的发射。这种发射光以散射模式显示，其中包含有关分子空间组织的关键信息，而光子的颜色包含有关分子内部和分子之间的原子位移的信息。
“典型的实验将光谱检测器与入射激光束成90度角，但我们意识到，我们只需改变检测器位置并使用偏振光的某些组合记录光谱，就可以探测相互作用的分子。通过这种方式，我们可以为非相互作用和相互作用的分子创建单独的光谱，”Roke说。
该团队还进行了更多实验，旨在使用CVS来梳理H键网络的电子和核量子效应，例如通过添加氢氧根离子（使其更碱性）或质子（更酸性）来改变水的pH值。
“氢氧根离子和质子参与氢键作用，因此改变水的pH值会改变其反应性，”该论文的第一作者、博士生Mischa Flór说。“有了CVS，我们现在可以准确量化有多少额外的电荷氢氧根离子提供给H键网络（8%），以及从中接受了多少电荷质子（4%）——这是以前在实验中无法完成的精确测量。”
未来展望
研究人员强调，他们也通过理论计算证实了该方法，可以应用于任何材料，事实上，一些新的表征实验已经在进行中。“直接量化氢键强度的能力是一种强大的方法，可用于阐明任何溶液的分子级细节，例如包含电解质、糖、氨基酸、DNA或蛋白质。由于CVS不仅限于水，它还可以提供有关其他液体、系统和过程的大量信息。”
这项研究已发表在《科学》杂志上，为材料科学和生命科学研究提供了新的工具和视角。
更多信息：Mischa Flór等人，剖析水的氢键网络：电荷转移和核量子效应，科学（2024年）。DOI：10.1126/science.ads4369
期刊信息：Science