科学家声称看到了水的“新状态”

什么定义了一种物质的“新形式”?这个问题是由一项研究引起的，该研究显示，我们熟悉的弯曲水分子，其质子在环周围不少于六个等效位置上离域，平均掉了偶极矩。¹亚历山大Kolesnikov田纳西州橡树岭国家实验室的科学家和他的同事称之为“水的新形式”。

这听起来几乎令人难以置信地奇怪。但事实上，科列斯尼科夫及其同事所报告的基本现象在几十年前就已被认识到。他们利用中子散射探测水分子在被困在绿柱石(Be)晶体的分子尺度通道时，在不同方向之间进行量子隧穿_3.艾尔₂如果₆O₁₈)，其横截面为六角形。这种隧穿意味着在测量的超冷条件下(约5K)分子的最低能态是通道六倍对称方向的混合物。

这种基态通过隧穿跃迁被分裂成不同的能级，研究人员看到它们之间的跃迁，当中子与水分子交换能量时，在中子能谱中显示为共振能量峰。科列斯尼科夫说:“这些结果表明，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此前提出，量子隧道可能解释水在绿柱石纳米通道中的太赫兹频谱。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，是因为他的合著者拉里Anovitz手上有巨大的单晶绿柱石。他们早期使用中子散射和介电能谱的研究暗示，水分子的重新定向可能会受到一些能量势垒的阻碍，但这两种技术给出了相互矛盾的结果。^3.

隧道转换

考虑到中子能谱随温度变化的方式，隧穿行为现在变得很明显。研究人员在隧道跃迁中发现的光谱峰值随着温度的升高而变弱，这是量子效应的预期结果，但与人们在普通振动跃迁中看到的情况相反。在足够高的温度下，水分子开始自由旋转，量子隧穿消失。科列斯尼科夫和同事们说，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，人们就知道低温下小分子中氢原子的旋转量子隧穿现象——在这种情况下，分子实际上会隧穿阻碍它们旋转的能量垒——之前已经用中子散射观察到甲烷和氨等分子。⁴这是研究这种效应的一种特别好的技术，因为与电子不同，中子被氢原子强烈散射。

在科列斯尼科夫及其同事的研究中，旋转隧穿不寻常的原因是，这种特殊的几何结构在势阱中产生了分子的非等效方向。相比之下，氨分子通过绕其三重对称轴旋转障碍的隧道，在每个方向上看起来都是相同的。

根据研究人员的量子模拟，水在绿柱石通道内不同方向的混合抵消了由于其“V”形而通常具有的偶极矩(氧原子上的电子密度比氢原子上的电子密度大)。它还导致整个分子的质心移位。

然而，其他研究人员可能会在接受这些说法之前仔细检查这些计算。这是否真的有资格成为“水的新阶段”似乎可能会引起一些争论。毕竟，分子没有变化，只是在几个能量等效的状态之间切换。“在我看来，这只是量子力学的一种实现，与水在更高温度下经典旋转时在相同势能表面上的表现没有太大不同，”他说才气Michaelides伦敦大学学院。