一种新的光谱方法揭示了水的量子秘密

博士生Eksha Chaudhary与相关振动光谱装置

       EPFL 的研究人员首次专门观察到液态水中参与氢键的分子，测量了以前只能通过理论模拟才能获得的电子和核量子效应。水是生命的象征，但将水分子聚集在一起的动态且多方面的相互作用 —— 氢键，仍然是一个谜。当水分子间的氢原子和氧原子相互作用时，会形成氢键，在此过程中共享电子电荷。这种电荷共享是赋予液态水独特性质的三维 “氢键” 网络的关键特征，然而到目前为止，该网络核心的量子现象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主任西尔维・罗克（Sylvie Roke）领导的研究人员发表了一种新方法 —— 相关振动光谱（CVS），这使他们能够测量水分子参与氢键网络时的行为。至关重要的是，CVS 能让科学家区分参与（相互作用）的分子和随机分布的非氢键（不相互作用）分子。相比之下，其他任何方法都会同时报告两种分子类型的测量结果，所以无法区分它们。罗克解释说：“目前的光谱学方法测量的是由系统中所有分子的振动引起的激光散射，所以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。”“有了 CVS，每种不同类型分子的振动模式都有自己的振动谱。因为每个光谱都有一个独特的峰，对应着水分子沿着氢键来回移动，我们可以直接测量它们的性质，比如有多少电荷被共享，以及氢键强度是如何受到影响的。”

       研究小组称，这种方法具有 “变革性” 的潜力，可用于表征任何材料中的相互作用，该方法已发表在《科学》杂志上。

       从一个新的角度看问题

       为了区分相互作用和非相互作用的分子，科学家们在近红外光谱中用飞秒（千万亿分之一秒）激光脉冲照射液态水。这些超短的光爆发会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。这种发射的光以一种散射模式出现，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原子位移的信息。“典型的实验是将光谱探测器与入射激光束呈 90 度角，但我们意识到，可以通过改变探测器的位置来探测相互作用的分子，并使用偏振光的某些组合来记录光谱。通过这种方式，我们可以为不相互作用和相互作用的分子创建单独的光谱，” 罗克说。该团队进行了更多的实验，旨在利用 CVS 梳理氢键网络的电子和核量子效应，例如通过添加氢氧化物离子（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，因此改变水的 pH 值会改变其反应性，” 该论文的第一作者、博士生米莎・弗洛尔（Mischa Flór）说。“有了 CVS，我们现在可以精确地量化氢氧根离子向氢键网络贡献了多少额外电荷（8%），以及质子从中接受了多少电荷（4%）—— 这是以前从未在实验中做过的精确测量。”

       在法国、意大利和英国的合作者进行的高级模拟的帮助下，这些值得到了解释。

       研究人员强调，他们也通过理论计算证实了这种方法，可应用于任何材料，事实上，一些新的表征实验已经在进行中。罗克说：“直接量化氢键强度的能力是一种强大的方法，可以用来澄清任何溶液的分子水平细节，例如含有电解质、糖、氨基酸、DNA 或蛋白质。”“由于 CVS 不仅限于水，它还可以提供关于其他液体、系统和工程的丰富信息。”