解析水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型可能還是一種難題

 

水的各種奇特物理和化學(xué)性質(zhì)與水分子之間的氫鍵相互作用緊密相關(guān)，如何在分子水平上確定水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型是水科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。過(guò)去三年，江穎課題組主要致力于超高分辨的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)的研制和開發(fā)，深入到單分子的內(nèi)部展開亞分子級(jí)分辨成像和操控研究，目前取得了一系列研究進(jìn)展，不僅為水—鹽相互作用的微觀機(jī)制提供了新的物理圖像，而且為分子間氫鍵相互作用的研究開辟了新的途徑。另外，該工作所發(fā)展的實(shí)驗(yàn)技術(shù)還可進(jìn)一步應(yīng)用于原子尺度上的氫鍵動(dòng)力學(xué)研究，比如質(zhì)子傳輸、氫鍵的形成和斷裂、振動(dòng)弛豫等。

嚴(yán)格地說(shuō)，此結(jié)構(gòu)不是一般意義的結(jié)構(gòu)，而是一種被稱為 Electronic Structure 的量子化學(xué)概念，一個(gè)非常復(fù)雜的復(fù)變函數(shù)，描述的是分子的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，普通百姓根本無(wú)法理解。

用量子化學(xué)的語(yǔ)言說(shuō)，水分子的核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以用分子軌道來(lái)描述，而波函數(shù)的模的平方和電子密度是成正比的。那個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的是水分子的前線軌道的電子密度在空間的分布。前線軌道在化學(xué)反應(yīng)中非常重要，其能量和對(duì)稱性決定了2個(gè)分子是否容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，那是日本的化學(xué)師傅福井謙一1981年拿諾貝爾獎(jiǎng)的工作。相似的電子結(jié)構(gòu)密度圖在很多年前就發(fā)表過(guò)，不過(guò)那些更多是屬于金屬或者無(wú)機(jī)鹽體系。上文發(fā)現(xiàn)是把水分子吸附在固體NaCl表面，通過(guò)STM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了成像。

水是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷奈镔|(zhì)，它是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成。但它們究竟是如何形成水分子的？日前，我國(guó)科學(xué)家共同解開了這一世界難題，首次拍攝到了水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一科研成果已在世界權(quán)威科學(xué)雜志《自然》子刊上發(fā)表。顯然，這篇文章不是解開了那個(gè)“難題”，因?yàn)槲恼伦疃嗍球?yàn)證了很多年前理論上早就非常清楚的H2O分子的電子波函數(shù)在空間的分布結(jié)構(gòu)。世界難題的說(shuō)法是有點(diǎn)過(guò)頭了。