物理学家发现水分子的新物态

研究者发现绿柱石中的水分子有着奇异的特性。(JeffScovil)

下属美国能源部(DOE)的橡树岭国家实验室(ORNL)发现了固液气三态之外水的另一种物态。水分子处在让经典物理失效的极度压缩的环境下，体现出了量子效应。
该团队的研究成果发表于最新一期的《物理评论快报》(PhysicalReviewLetters)。

普通情况下的水分子示意图。(CSI)

正常情况下，水分子中氢原子和氧原子之间只隔着约1埃(纳米的十分之一)的距离。物理学家们发现，如果将一个水分子塞入绿柱石(beryl)内部5埃宽，9埃长的六棱柱空隙之中，该水分子会展现出量子隧穿效益，成为离域分子。
量子隧穿效应(quantumtunnellingeffect，又称量子穿隧效应)是一种量子特性，指微观粒子直接穿过它们不够能量跨越的“山峰”。简单的例子是甲基(-CH3，甲烷分子去掉一个氢原子)。在这个三角锥形状的基团中，氢原子会无视阻力，隧穿至相邻顶点的位置。
对水分子来说，在经典物理学中，只要氢原子不出现能级跃迁，V型的水分子在六边形空隙中呆久了会摆出对应壁面的方向。但我们已经踏入了量子的世界。
此处的氢原子脱离了氧原子，通过隧穿效应，在附近所有可能的方向上同时均匀分布开来。温度越高(从5K到50K)，这种现象越明显。
此时情况如下图左所示。绿柱石晶体(除浅蓝以外的颜色)中有个六边形的空间，一个氢原子以旋转的方式同时存在于中心的六个位置(浅蓝)，围绕着中央的一个氧原子(未展现)。


水分子新物态示意图。右：氢原子的电荷密度，蓝色最低，黄色最高，体现了一个氢原子同时存在于六个顶点的位置。(A.I.Kolesnikovetal.)

ORNL和英国卢瑟福·阿普尔顿实验室(RAL)的物理学家们分别使用低能级和高能级中子散射法观测到了这种情况。借助先进的散裂中子源(spallationneutronsource)这种“超级显微镜”，他们得以用不带电的中子来观察这种亚原子级结构。
研究者表示，这样狭小的空隙常常出现在土壤、某些矿物以及细胞壁之中。他们指出，氢原子在这种情况下的分布形式使得水分子失去了偶极矩。
水向来被人们当成一种“万能溶剂”：V型水分子两头的氢原子带正电荷，中央的氧原子带负电荷，使得水分子很容易与其它原子或分子建立化学键。但在这种尚未被命名的新物态中，水分子电荷的平衡已经被打乱，失去了建立这类化学键的能力。所以说，水的这种新物态证明了水并不是一种宇宙通用“万能溶剂”。