一个由美国和瑞典实验物理学家组成的国际团队首次直接观察到，当水分子被激光激发时，水分子中的氢原子是如何拉动和推动邻近的分子的。
杨等．第一次直接观察到被激光激发的液态水分子中的原子运动。图片来源:Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室。
每个水分子包含一个氧原子和两个氢原子，一个分子中带正电的氢原子和相邻分子中带负电的氧原子之间的氢键网将它们连接在一起。
这种复杂的网络是水的许多令人费解的特性背后的驱动力，但直到最近，物理学家还无法直接观察水分子如何与其相邻分子相互作用。
“氢原子的低质量强调了它们的量子波行为，”SLAC国家加速器实验室斯坦福脉冲研究所(Stanford Pulse Institute)的物理学家凯利·加夫尼(Kelly Gaffney)博士说。
“这项研究首次直接证明了氢键网络的响应一个脉冲能量的关键取决于如何氢原子的量子力学性质是飘飘然的,一直被认为是负责水的独特属性和其氢键网络。”
到目前为止，由于氢键的运动是如此的微小和快速，要进行这样的观察一直是一个挑战。
新的实验通过使用克服了这个问题线性的MeV-UED一种高速的“电子相机”检测通过向样品散射一束强大的电子束来实现分子的微妙运动。
作者创造了100纳米厚的液态水射流，并用红外激光使水分子振动。
然后，他们用MeV-UED产生的高能电子短脉冲轰击这些分子。这产生了高分辨率的分子原子结构变化的快照，它们串在一起，形成了一个定格动画电影，展示了水分子网络如何对光作出反应。
这些照片聚焦于三个水分子组成的一组，揭示了当一个激发态的水分子开始振动时，它的氢原子将邻近水分子中的氧原子拉得更近，然后用新发现的强度将它们推开，扩大了分子之间的空间。
斯德哥尔摩大学研究员安德斯·尼尔森(Anders Nilsson)教授说:“尽管人们一直假设所谓的核量子效应是许多水的奇怪性质的核心，但这个实验标志着首次直接观测到它。”
“很长一段时间以来，研究人员一直试图利用光谱学技术来了解氢键网络，”清华大学研究员杨杰教授说。
“这个实验的美妙之处在于，我们第一次能够直接观察这些分子是如何运动的。”
的发现出现在今天的杂志上自然．
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杰杨等．直接观察液态水中超快氢键强化。自然， 2021年8月25日在线发布;doi: 10.1038 / s41586 - 021 - 03793 - 9
