研究者發(fā)現(xiàn)綠柱石中的水分子有著奇異的特性。(JeffScovil)

下屬美國(guó)能源部(DOE)的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)發(fā)現(xiàn)了固液氣三態(tài)之外水的另一種物態(tài)。水分子處在讓經(jīng)典物理失效的極度壓縮的環(huán)境下，體現(xiàn)出了量子效應(yīng)。
該團(tuán)隊(duì)的研究成果發(fā)表于最新一期的《物理評(píng)論快報(bào)》(PhysicalReviewLetters)。

普通情況下的水分子示意圖。(CSI)

正常情況下，水分子中氫原子和氧原子之間只隔著約1埃(納米的十分之一)的距離。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果將一個(gè)水分子塞入綠柱石(beryl)內(nèi)部5埃寬，9埃長(zhǎng)的六棱柱空隙之中，該水分子會(huì)展現(xiàn)出量子隧穿效益，成為離域分子。
量子隧穿效應(yīng)(quantumtunnellingeffect，又稱量子穿隧效應(yīng))是一種量子特性，指微觀粒子直接穿過(guò)它們不夠能量跨越的“山峰”。簡(jiǎn)單的例子是甲基(-CH3，甲烷分子去掉一個(gè)氫原子)。在這個(gè)三角錐形狀的基團(tuán)中，氫原子會(huì)無(wú)視阻力，隧穿至相鄰頂點(diǎn)的位置。
對(duì)水分子來(lái)說(shuō)，在經(jīng)典物理學(xué)中，只要?dú)湓硬怀霈F(xiàn)能級(jí)躍遷，V型的水分子在六邊形空隙中呆久了會(huì)擺出對(duì)應(yīng)壁面的方向。但我們已經(jīng)踏入了量子的世界。
此處的氫原子脫離了氧原子，通過(guò)隧穿效應(yīng)，在附近所有可能的方向上同時(shí)均勻分布開(kāi)來(lái)。溫度越高(從5K到50K)，這種現(xiàn)象越明顯。
此時(shí)情況如下圖左所示。綠柱石晶體(除淺藍(lán)以外的顏色)中有個(gè)六邊形的空間，一個(gè)氫原子以旋轉(zhuǎn)的方式同時(shí)存在于中心的六個(gè)位置(淺藍(lán))，圍繞著中央的一個(gè)氧原子(未展現(xiàn))。


水分子新物態(tài)示意圖。右：氫原子的電荷密度，藍(lán)色最低，黃色最高，體現(xiàn)了一個(gè)氫原子同時(shí)存在于六個(gè)頂點(diǎn)的位置。(A.I.Kolesnikovetal.)

ORNL和英國(guó)盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室(RAL)的物理學(xué)家們分別使用低能級(jí)和高能級(jí)中子散射法觀測(cè)到了這種情況。借助先進(jìn)的散裂中子源(spallationneutronsource)這種“超級(jí)顯微鏡”，他們得以用不帶電的中子來(lái)觀察這種亞原子級(jí)結(jié)構(gòu)。
研究者表示，這樣狹小的空隙常常出現(xiàn)在土壤、某些礦物以及細(xì)胞壁之中。他們指出，氫原子在這種情況下的分布形式使得水分子失去了偶極矩。
水向來(lái)被人們當(dāng)成一種“萬(wàn)能溶劑”：V型水分子兩頭的氫原子帶正電荷，中央的氧原子帶負(fù)電荷，使得水分子很容易與其它原子或分子建立化學(xué)鍵。但在這種尚未被命名的新物態(tài)中，水分子電荷的平衡已經(jīng)被打亂，失去了建立這類化學(xué)鍵的能力。所以說(shuō)，水的這種新物態(tài)證明了水并不是一種宇宙通用“萬(wàn)能溶劑”。