水核量子效应研究进展.PDF

水水的的核核量量子子效效应应研研究究进进展展 郭静 and 江颖 Citation: 科学通报 ; doi: 10.1360/N972018-00331 View online: http://engine.scichina.co /doi/10.1360/N972018-00331 Published by the 《中国科学》杂志社 Articles you may be interested in 量子点能带宽调 研究新进展 中国科学: 技术科学 42, 525 (2012); 量子点的水相合成及其生物成像分析研究进展 科学通报 58, 524 (2013); 量子点的水相合成及其生物成像分析研究进展 科学通报 58, 524 (2013); 原子核量子能谱的统计性质 中国科学A辑: 数学 31, 350 (2001); 屏蔽-钻穿常数与取代基效应的定量研究——烷基的取代基效应 科学通报 37, 2239 (1992); 2018 年 第 63 卷 第 14 期 评 述 水的核量子效应研究进展 1 1,2* 郭静 , 江颖 1. 北京大学物理学院量子材料科学中心, 北京 100871; 2. 量子物质协同创新中心, 北京 100871 * 联系人, E-mail: yjiang@ 2018-04-08 收稿, 2018-04-26 修回, 2018-05-04 接受, 2018-05-18 网络版发表 国家重点研发计划(2016YFA0300901, 2017YFA0205003)、国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年科学基金和国家 自然科学基金重大项目A040106)资助 摘要 “水的结构是什么”这是Science 杂志在创刊125周年的特刊中提出的21世纪125个亟待解决的科学前沿问 题之一. 水的结构之所以如此复杂, 其中一个很重要的原因就是源于水分子之间的氢键相互作用. 人们通常认为 氢键的本质为经典的静电相互作用, 然而由于氢原子核质量很小, 其量子效应在室温下都会非常明显, 氢核的量 子隧穿和量子涨落将减弱经典势垒对氢原子的限制, 从而增强或减弱氢键相互作用强度, 改变氢键网络构型, 甚 至影响氢键体系的宏观物性. 该综述首先概述了核量子效应的起因和表现, 然后介绍核量子效应研究的传统实验 手段, 以及新兴的基于扫描隧道显微镜和非接触式原子力显微镜的高分辨成像和谱学技术. 然后, 本文总结了水 中氢核量子隧穿和量子涨落的最新研究进展, 尤其是深入到原子尺度的核量子效应研究, 最后对核量子效应研究 所面临的问题和挑战以及未来发展方向进行评述. 关键词 水, 冰, 氢键, 核量子效应, 扫描隧道显微镜, 非接触式原子力显微镜 作为地球上最常见的物质之一, 水在探索生命 不可忽视的作用. 由于氢原子核质量很小, 其量子效 起源和改善自然环境中扮演着十分重要的角色, 牵 应在室温下都会非常明显. 扯到物理、化学、生命科学、环境科学、新能源、腐 水的核量子效应主要源于氢核的量子隧穿和零 蚀、润滑、防冻等从基础到应用诸多研究. “水的结构 点运动. 水分子和水分子之间通过氢键连接, H原子 是什么”这是Science杂志在创刊125周年的特刊中提 与相邻的两个O原子分别形成共价键和氢键(图1(a)). 出的21 世纪125个亟待解决的科学前沿问题之一. 在经典图像中, H原子必须跨过反应势垒来实现共价 2015年, Angewandte Chemie 杂志也将水的相