新發現——隧道狀態的水分子

材料牛注：ORNL的科學家們發現水分子可達到一個全新的隧道狀態，這可能告訴科學家們更多關于水分子行為的信息。

科學家們發現了一種新的水分子狀態，在極端的限制條件下，水分子會到達一個新的隧道狀態。這揭示了極端限制條件下，例如處于巖石、土壤及細胞壁等環境中的水的新特性。新的研究成果離不開田納西州的ORNL（橡樹嶺國家實驗室）的散裂中子源以及英國的Rutherford Appleton Laboratory（盧瑟福阿普爾頓實驗室）的實驗幫助。

ORNL化工材料部門的Alexander Kolesnikov說：“低溫下，該隧道狀態的水通過分離潛在的墻而表現出量子運動，而這一行為在經典理論的世界中是不可能的。這表明水分子中的氧、氫原子是離域的，因此同一時間內它們在隧道中同時出現在六個對稱等效位置。這是一個只發生在量子力學范疇的現象，并不能用我們日常的經驗來解釋。”

以前的研究表明了氫原子在其他系統中的隧道狀態，而在這項最新研究中，研究人員觀測到了氫原子的隧道狀態。中子散射實驗和計算化學實驗表明，水分子是離域的環，因此水分子在這種隧道狀態下變成雙頂狀。

水這種隧道狀態的存在有助于科學家更好地描述高度密閉環境中水的熱力學性質及行為，例如水在細胞膜通道中、碳納米管中或沿晶界的擴散和運輸行為。

這項新研究成果的合著者——ORNL的Lawrence Anovitz說：“這一發現象征著人們對于水的行為以及水利用能量的方式有了新的基本認識。在實驗中我們看到藍寶石或翡翠的戒指（寶石中藍色和綠色的品種）中的水分子也在經歷同樣的隧道狀態，這一現象十分有趣。”

研究結果揭示了關于這個隧道狀態的更多信息，更具體地來說，它可以告訴研究人員水在特定環境中是如何反應。這在工程技術方面十分重要，同時也為更好地理解發生在這些極端位置的過程提供了幫助。

這項研究結果已發表在四月版的Physical Review Letters上。

原文參考地址：ORNL Scientists Discover An Entirely New Tunneling State Of Water Molecules

感謝材料人編輯部糯米提供素材，趙玲編譯，李樂樂審核。