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北京大學(xué)科學(xué)家在世界上首次拍到水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并揭示了單個(gè)水分子和四分子水團(tuán)簇的空間姿態(tài)。這一成果發(fā)表在最近一期的《自然-材料》雜志上。水分子是地球表面上最多的分子，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非�；�，但是又具有很多奇妙的化學(xué)性質(zhì)。水作為良好的溶劑為生命存在提供了基本條件，其獨(dú)特的氫鍵結(jié)構(gòu)也一直讓科學(xué)家難以解釋。
我國(guó)科學(xué)家在世界上首次拍到水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。上圖顯示了水分子在氯化鈉表面上的排列方式和單個(gè)水分子、四分子水團(tuán)簇的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 北京大學(xué)量子材料中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心江穎課題組與王恩哥課題組合作，在水科學(xué)領(lǐng)域取得重大突破，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了水分子的亞分子級(jí)分辨成像，使在實(shí)空間中直接解析水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型成為可能。相關(guān)研究成果于1月5日以Article的形式在線發(fā)表在《自然-材料》[Nature Materials DIO: 10.1038/nmat3848]。江穎和王恩哥是文章的共同通訊作者，博士研究生郭靜、孟祥志和陳基是文章的共同第一作者，物理學(xué)院的李新征研究員和量子材料中心的施均仁教授在理論方面提供了重要的支持和幫助。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家基金委、科技部、教育部和北京大學(xué)的資助。 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)問題之一。由于氫鍵的形成主要源于氫原子和氧原子之間的靜電作用力(O-H…O)，要精確描述水的氫鍵構(gòu)型，不僅需要判定氧原子的位置，還必須能識(shí)別氫原子的位置，也就是要求能在亞分子級(jí)水平上探測(cè)水分子在空間中的取向。然而，由于氫原子的質(zhì)量和尺寸都非常小，對(duì)水分子進(jìn)行亞分子級(jí)分辨成像極具挑戰(zhàn)性。 北京大學(xué)譜學(xué)和高分辨率探測(cè)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人江穎介紹，水分子的直徑只有一根頭發(fā)的百萬分之一，而且流動(dòng)性非常強(qiáng)，拍照的第一個(gè)難題就是給它選擇一個(gè)合適的背景。而要想用電子顯微鏡拍照，這個(gè)背景還得能導(dǎo)電才行。以前科學(xué)家用金屬作為襯底，曾經(jīng)觀測(cè)到模糊的水分子外形，沒有任何的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這次我國(guó)科學(xué)家選取氯化鈉（NaCl）薄膜作為背景，將水分子吸附在鹽表面進(jìn)行觀察，捕捉到水分子更清晰的面貌。 單個(gè)水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。圖中花瓣部分是水分子的電子云，中間的暗縫是水分子內(nèi)部化學(xué)鍵。 過去三年，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，并取得了一系列研究進(jìn)展：在亞納米尺度對(duì)二維自旋晶格的近藤效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)空間成像 [Science 333,324(2011)]；探測(cè)到了單個(gè)萘酞菁分子內(nèi)部不同振動(dòng)模式的空間分布[J. Chem. Phys. 135,014705(2011)]；對(duì)單個(gè)功能化分子內(nèi)部的化學(xué)鍵實(shí)現(xiàn)了選擇性操縱[Nature Chemistry 5,36(2013)]。 在此基礎(chǔ)上，江穎課題組與王恩哥課題組緊密配合，通過仔細(xì)的論證和探索，成功地把亞分子級(jí)分辨成像和操控技術(shù)應(yīng)用到水科學(xué)領(lǐng)域，開創(chuàng)性地把掃描隧道顯微鏡的針尖作為頂柵極（top gate），以皮米的精度控制針尖與水分子的距離和耦合強(qiáng)度，調(diào)控水分子的軌道態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)附近的分布，從而在NaCl(001)薄膜表面上獲得了單個(gè)水分子和水團(tuán)簇迄今為止最高分辨的軌道圖像。 這使得研究人員可以在實(shí)驗(yàn)中直接識(shí)別水分子的空間取向和水團(tuán)簇氫鍵的兩種不同方向性。結(jié)合第一性原理計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)以往報(bào)道的鹽表面的水分子團(tuán)簇都不是最穩(wěn)定的構(gòu)型，并提出了一種全新的四聚體吸附結(jié)構(gòu)。 該工作不僅為水-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。
水分子在氯化鈉表面上的結(jié)合方式。圖g和圖h顯示，水分子是“站”在鹽上的。
四個(gè)水分子構(gòu)成的水團(tuán)簇影像及其兩種不同的方向性 |
