是什麼定義了物質的“新形式”？一項研究引發了這個問題，該研究顯示，熟悉的彎曲水分子，其質子離域分佈在環周圍不少於六個等效位置，平均消除了其偶極矩。田納西州橡樹嶺國家實驗室的 Alexander Kolesnikov 及其同事稱之為“水的新形式”。
這聽起來幾乎令人難以置信地奇怪。但事實上，Kolesnikov 及其同事報告的基本現象已被認識數十年。他們使用中子散射來探測水分子，這些水分子在超冷條件下（約 5K）被困在綠柱石 (Be3Al2Si6O18) 晶體的分子尺度通道中，通道具有六邊形橫截面，並在不同方向之間進行量子隧穿。這種隧穿意味著在測量的超冷條件下，分子的最低能量狀態是通道六重對稱性中方向的混合。
這種基態透過隧穿躍遷分裂成不同的能級，研究人員觀察到躍遷，這表現為中子譜中的共振能量峰，這是由於中子與水分子交換能量。Kolesnikov 說：“這些結果表明，低溫下綠柱石中的水具有不尋常的形狀，質子離域分佈在六個位置。”
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俄羅斯的一個團隊此前提出，量子隧穿可能解釋綠柱石奈米通道中水太赫茲頻率光譜。Kolesnikov 說，他和他的同事決定使用中子研究該系統，因為他的合作者 Larry Anovitz 手頭有大量的綠柱石單晶。他們早先使用中子散射和介電譜的研究暗示，水分子的重新定向可能受到某種能壘的阻礙，但這兩種技術給出了衝突的結果。
隧穿躍遷
現在，透過考慮中子譜隨溫度的變化方式，隧穿行為變得明顯。研究人員識別為隧穿躍遷的光譜峰隨著溫度升高而變弱，這與這種量子效應的預期一致，但與普通振動躍遷應看到的相反。在足夠高的溫度下，水分子開始自由旋轉，量子隧穿消失。Kolesnikov 及其同事表示，他們的從頭算量子計算支援這種解釋。
自 1970 年代以來，人們就已知在低溫下小分子中氫原子的旋轉量子隧穿現象——其中分子實際上隧穿過阻礙其旋轉的能壘——並且先前已使用中子散射觀察到甲烷和氨等分子。這是一種特別好的研究這種效應的技術，因為與電子不同，中子很容易被氫原子散射。
Kolesnikov 及其同事研究的案例中，旋轉隧穿不尋常之處在於，這種特定的幾何形狀在勢阱內產生了分子的不等效方向。相比之下，氨分子圍繞其三重對稱軸旋轉勢壘隧穿時，在每個方向上看起來都相同。
根據研究人員的量子模擬，綠柱石通道內水不同方向的混合抵消了水分子通常由於其“V”形而擁有的偶極矩（氧原子上的電子密度高於氫原子）。這也導致了整個分子質心的偏移。
然而，其他研究人員可能希望在接受這些說法之前仔細審查這些計算。而這是否真正符合“水的新相”的資格似乎可能會引發一些爭論。畢竟，除了在幾個能量等效狀態之間切換外，分子本身並沒有改變。倫敦大學學院的 Angelos Michaelides 說：“在我看來，這看起來只是量子力學的實現，與水在相同的勢能面上在較高溫度下經典旋轉時所做的事情沒有太大不同。”
本文經《Chemistry World》許可轉載。 該文章於 2016 年 4 月 28 日首次發表。