科学家声称已经看到了水的“新状态”

如何定义一种物质的“新形态”?这个问题是由一项研究引发的，该研究表明，熟悉的弯曲水分子的质子在环周围不少于6个等效位置上离域，平均掉了它的偶极矩。¹亚历山大Kolesnikov美国田纳西州橡树岭国家实验室的物理学家及其同事称其为“新形式的水”。

这听起来几乎令人难以置信的奇怪。但事实上，科列斯尼科夫及其同事报告的基本现象几十年前就已经得到了承认。他们利用中子散射来探测被困在绿柱石(Be)晶体的分子尺度通道中的水分子在不同方向之间经历量子隧穿_3.艾尔₂如果₆O₁₈)，其横截面为六边形。这种隧穿意味着，在测量的超冷条件下，分子的最低能量状态(约5K)是通道六倍对称方向的混合物。

这种基态通过隧穿跃迁分裂成不同的能级，研究人员看到了这些能级之间的跃迁，当中子与水分子交换能量时，在中子谱中显示为共振能量峰。科列斯尼科夫说:“这些结果表明，在低温下，绿柱石中的水具有不寻常的形状，在六个位置上有离域质子。”

俄罗斯的一个研究小组先前提出，量子隧道效应或许可以解释绿柱石纳米通道中水的太赫兹频谱。²科列斯尼科夫说，他和他的同事决定用中子来研究这个系统，因为他的合著者拉里Anovitz手边有大的绿柱石单晶。他们早期使用中子散射和介电光谱的研究表明，水分子的重新定向可能会受到一些能量障碍的阻碍，但这两种技术给出了相互矛盾的结果。^3.

隧道转换

通过考虑中子谱随温度变化的方式，隧穿行为现在变得明显。研究人员认为，随着温度的升高，隧道跃迁的光谱峰变得更弱，这是量子效应所期望的，但与普通振动跃迁所看到的相反。在足够高的温度下，水分子开始自由旋转，量子隧道效应消失。科列斯尼科夫和他的同事说，他们的从头算量子计算支持这种解释。

自20世纪70年代以来，人们就已经知道了小分子中氢原子在低温下的旋转量子隧穿——在这种情况下，分子实际上穿过了阻碍它们旋转的能量屏障，此前人们利用中子散射对甲烷和氨等分子进行了观察。⁴这是研究这种效应的一种特别好的技术，因为中子不像电子，被氢原子强烈散射。

在Kolesnikov及其同事的研究中，旋转隧穿的不同寻常之处在于，这种特殊的几何形状在势阱中产生了分子的非等效方向。相比之下，氨分子穿过围绕其三重对称轴的旋转势垒时，在每个方向上看起来都是一样的。

根据研究人员的量子模拟，水在绿柱通道内的不同方向的混合抵消了它通常由于其“V”形而具有的偶极矩(氧原子上的电子密度比氢原子上的电子密度大)。它还会导致整个分子的质心发生移位。

然而，在接受这些说法之前，其他研究人员可能会仔细审查这些计算结果。这是否真的符合“水的新阶段”的标准，似乎可能会引发一些争论。毕竟，除了在几个能量等效的状态之间转换之外，分子是不变的。他说:“在我看来，这就像是量子力学的一种实现，与水在相同的势能表面上，在高温下进行经典旋转时的行为没有太大不同。才气Michaelides伦敦大学学院。